一文读懂碳基单原子催化剂

现代工业快速发展的同时也带来了日益严峻的能源与环境问题,可持续能源的应用为这两大问题的解决带来了新的机遇,而发展高效廉价的催化剂对能源转化来说至关重要。特别的,碳基负载的过渡金属单原子催化剂因具有接近100%的原子利用率,在电化学能量存储与转化方面的高效性(如氧还原、析氧、析氢和CO2还原反应等)等特点,已经成为一种独特的电催化体系。

单原子催化剂在能源催化转化领域的应用

(来源X-MOL)

各类碳基载体

在 SACs 众多载体中,碳基具有优秀的性能,例如价格低廉、结构多样、稳定性优异、电导性良好等,被广泛用作 SACs 的载体物质。碳基载体能够引入杂原子锚定位点,固定金属单原子;杂原子掺杂的碳还能够对 ORR 电催化过程起到积极作用。主要特点如下:

1. 碳骨架具有良好的导电性,而且由于金属原子和相邻的碳原子之间强烈的界面相互作用,会改变金属原子的电荷密度和电子结构。

2. 界面的相互作用,促进相邻碳原子形成额外的活性位点。

碳材料被优选电催化剂的载体,包括碳纳米球、纳米碳纤维、石墨烯、金属有机框架衍生碳、共价三嗪框架、氮化碳和酞菁衍生碳等。

各类碳载体

此外,炭黑、壳聚糖、单氰氨、双氰胺、三聚氰胺和卟啉等也可以制备出也是一类很有潜力的高效 CRR 和 HER 催化剂的碳基载体。

碳基单原子制备方法

✔ 热解

通过在受控气氛(即N2,NH3,Ar或H2)的保护下高温热分解选择的前驱体,从而制备碳基单原子催化剂。

✔ 湿化学合成

通过湿化学法制备得到的单原子催化剂,涉及到两种略微不同的步骤。第一种是基于金属中心与碳基材料中的N,O或S配位点之间的螯合作用,该方法也已用于制备Pt-C3N4和Ru-C3N4单原子催化剂。另一种方法利用客体分子和碳基主体材料之间的共价键,π-π堆积或静电相互作用形成主客体结构。

✔ 物理和化学气相沉积

单原子的形成也可以通过将原子物质沉积到选定的载体基质上来实现,例如原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)。

✔ 电化学沉积

电化学沉积是指在外电场作用下电流通过电解质溶液中正负离子的迁移并在电极上发生得失电子的氧化还原反应而形成镀层的技术。具体而言,阴极沉积是还原过程;而阳极沉积是氧化过程。

✔ 石墨烯空位导向合成

该方法需要两个关键步骤;首先是通过高能原子/离子辐射产生石墨烯空位,并通过能量密度控制空位数;第二种是通过良好控制的溅射或聚焦离子束,用选择的金属原子,例如Au,Pt,Fe,Co和In,来填充石墨烯空位。

碳基单原子催化剂制备方法

金属单原子

在金属单原子催化剂中,主要是Pt、Pd、Fe、Co、Ni和Cu等。然而,在第一个非金属类SACs的例子出现之后,人们逐渐在将SACs概念运用在更广泛的元素范围内,有相当数量的例子存在于碱金属、早期过渡金属、镧系元素、过渡后金属、金属和非金属。

各元素单原子催化剂的应用模式

(来源网络)

总结

碳基单原子催化剂是一种新颖,低成本而高性能的催化剂,在电化学能量转换与储存中有着重要应用。富含缺陷位和杂原子的类石墨化碳材料具有大量的键合结构及配位点,它们可以强有力的将金属原子锚定在碳骨架中,有效地解决金属原子因高表面自由能而引起的易聚结问题。未来的碳基单原子催化剂会对催化性能产生深刻的影响。

免责声明 | 部分素材源自网络,如涉侵权,请联系我们处理。

(0)

相关推荐

  • 布拉格化学技术学院--石墨烯以外的二维材料上负载的单原子作为催化剂的最新进展

    二维(2D)层状材料已证明是锚定单个和孤立金属原子以充当活性单原子催化剂(SACs)的关键平台.因此,单个原子的准确位置对于理解锚定在2D层状材料上SACs的反应机理和设计至关重要.但是,制备具有精确 ...

  • 【进展】中南大学雷永鹏团队《EES》等:金属电催化材料领域取得重要进展

    近日,中南大学粉末冶金国家重点实验室雷永鹏教授等在金属电催化材料领域取得重要研究进展.相关成果接连发表在Energy & Environmental Science.Advanced Func ...

  • 【专刊】10篇Chem. Rev.综述:带你走进单原子催化的世界

    引言:多相单原子催化剂 通讯作者:李隽,夏幼南,Maria Flytzani Stephanopoulos 背景简介 根据Berzelius在1835年提出的定义,催化剂是一种能够加速化学反应速率而又 ...

  • 【动态】大连化物所研发新型催化体系实现高效电催化析氢

    近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员刘健团队与大连理工大学研究员周思,联合天津大学教授梁骥团队,通过单原子催化剂改性碳载体的策略,增强载体与其上负载金属粒子间的相互作用,构筑了钴单原子催化剂掺杂碳 ...

  • 石墨炔何去何从——李玉良院士

    石墨炔是一种新兴的二维碳材料,具有很大发展潜力.它是新碳同素异形体,具有奇特的sp和sp2电子结构并具有本征带隙,展现了已发现碳材料难以出现的性质.2010年,李玉良院士团队在全球首次成功合成石墨炔, ...

  • 乔世璋教授2020年工作总结

    乔世璋教授,现任澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授,能源与催化材料中心主任,主要从事新能源技术纳米材料领域的研究,包括电池.电催化.光催化等.发表学术论文超过430篇,引用超过5700 ...

  • 电解水析氢催化剂“变形记”

    高曲率碳纳米洋葱负载Pt单原子催化剂设计及其析氢机理.    图片来源:宋礼供图 氢能是一种高效的可再生清洁能源.电催化析氢是水裂解过程的阴极反应,也是获得高纯度氢气并实现可持续分布式存储的重要途径. ...

  • [Nat. Chem.] 石墨烯量子点负载高含量单原子催化剂

    原子分散的过渡金属催化剂具有独特的原子结构和电子特性,与块状或纳米级催化剂相比,原子分散级催化剂呈现出更好的催化活性.但是,金属原子和固体载体之间的强相互作用对于限制孤立原子聚集至关重要.迄今为止,已 ...

  • 一文读懂碳基柔性材料

    首先碳基柔性材料是根据柔性电子应运而生的.它是将无机/有机器件附着于柔性基底上,形成电路的技术.相对于传统硅电子,柔性电子是指可以弯曲.折叠.扭曲.压缩.拉伸.甚至变形成任意形状但仍保持高效光电性能. ...

  • 尿常规能查出什么病?一文读懂体检单!

    "医生,每次体检尿常规都正常,这次能不验吗?" "医生,我来大姨妈了还能验尿常规吗?" "医生,这个尿常规怎么看呀?" 尿常规是我们常说的& ...

  • 干货 | 一文读懂新版FMEA七步法(附表单)

    最新课程 AIAG-VDA FMEA表格的模板参考 给出新的DFMEA表格的模板: 给出了新的PFMEA表格的模板:

  • 如何选择高职单招院校?山东的高职“双一流”有哪些? 丨一文读懂

    今天,我们将对考生和家长比较想了解的高职单招院校做一个系统的介绍,怎样选择一个好学校,看了接下来的文章希望大家能有所收获. 一.考生该如何选择高职院校? 1.要搞清楚高职院校的类型 大体来说,高职院校 ...

  • 一文读懂王清任的五逐瘀汤

    至道汇 今天 瘀血 王清任三步辨瘀血法及其临床应用 一.首辨瘀血典型症状的有无 无论瘀血为病,证候有多么复杂多变,其外在表现总会有一定规律可循.其中表现突出且有别于他证的特异性症状,便可视为瘀血的典型 ...

  • 一文读懂硬度试验

    硬度,硬度测量,硬度公式,硬度换算,材料硬度,钢材硬度,布氏硬度,硬度试验 来源:北京赛亿科技有限公司

  • 一文读懂:广东人从哪里来?

    岭南韵味  广府情怀 粤曲| 粤剧 | 名家 | 名段 很多外省的朋友们不是很了解广东人的组成及来源,也不知道为何叫做"广东".更会有一些朋友会奇怪: ◆为什么秦汉时期的" ...

  • 一文读懂:宗教、哲学、科学,的诞生史

    作者:黃爾文 公元2021年5月7日 2文讲解<西方哲学史>系列 (第3章. 宗教.哲学.科学 の 诞生) 释迦摩尼 如果按照一个"发展顺序"来讲的话呢: ❶是人类最初 ...

  • 一文读懂地产类信托

    2019年以来,政府对于信托资金流向房地产的管控有所加强,年中时有传言光大信托和国投泰康信托暂停所有房地产类项目,引起市场一片哗然,随后市场又有"2万亿地产类通道业务清零"的说法. ...