孙文平，王定胜教授 EES：非碳基单原子催化剂及其电催化应用- 大数跨境

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孙文平，王定胜教授 EES：非碳基单原子催化剂及其电催化应用

科学材料站

2021-04-06

导读：该综述首次根据载体的性质将非碳基单原子催化剂分为八类，并对其相应的锚定和稳定机制(表面缺陷、晶格空位、空间限制和配位策略)进行了系统的总结和讨论。

文章信息

非碳基单原子催化剂及其电催化应用

第一作者：郑小波

通讯作者：孙文平，王定胜

单位：清华大学，浙江大学

研究背景

随着日益严重的环境污染和能源危机，寻找绿色、可持续的新型能源体系显得尤为的重要。开发智能、绿色的能源存储和转换体系如电解水，燃料电池和金属空气电池等是解决当前困境有效措施之一。但这些器件的性能往往与所用催化剂密切相关，因此理性设计高性能电催化剂对提升器件的性能和能量转换效率至关重要。

众所周知，催化剂的性能与其暴露的活性位点数量紧密相连。因此，将催化剂的尺寸减小至纳米颗粒、原子簇甚至单个原子催级别不但能够降低其成本，而且能够极大地提高催化剂的质量活性。当每一个金属原子暴露并且成为催化活性中心时，这能最大化提高原子的使用率，这对金属，尤其是贵金属显得尤为重要。

但当催化剂的尺寸减小至团簇和单个原子级别，其急剧增加的表面自由能会导致原子发生团聚，引起催化剂性能的衰减，因而选择合适的载体去锚定单原子活性中心变得尤为重要。以碳基材料为基底负载的单原子催化剂因其特殊的优势被广泛研究，用于各个领域如电催化、光催化、有机催化、电池等，并且这些工作被很好地总结和概述。

相对碳基单原子催化剂，非碳基单原子催化剂因其成分和结构的多样性赋予了许多新的性质和功能，进而有着更为广泛的应用领域。虽然非碳基单原子催化剂在电催化领域的研究处于起步阶段，但越来越多报道的工作表明非碳基单原子催化剂是一种极具潜力的电催化剂，因此，一篇即时、全面的非碳基单原子综述显得尤为重要，它可以为其他的非碳基单原子催化剂的可控合成、高效表征、靶向应用提供新的视角和指导。

文章简介

基于此，清华大学王定胜，浙江大学孙文平教授在Energy & Environmental Science (影响因子：30.289)上发表题为“Non-carbon-supported single-atom site catalysts for electrocatalysis”的综述文章。

该综述首次根据载体的性质将非碳基单原子催化剂分为八类，并对其相应的锚定和稳定机制(表面缺陷、晶格空位、空间限制和配位策略)进行了系统的总结和讨论。同时，简要总结了2种表征非碳基单原子催化剂的最为有效的技术以及概述了密度泛函理论（DFT）在揭示其催化机制所起的重要作用。

此外，作者根据其电催化反应类型系统地介绍了每一种非碳基单原子催化剂的应用，并比较不同非碳基单原子催化剂的优势和劣势。最后，作者简要总结全文，并提出了非碳基单原子催化剂存在的问题和相应解决方案，以及非碳基单原子催化剂的发展方向。

图1. 八种典型的非碳基单原子催化剂

本文要点

要点一：通过对非碳基单原子催化剂的总结，作者根据其基底性质把非碳基单原子催化剂分为八种类型，分别是金属(合金)、金属氧化物、金属氢氧化物、金属硫属化物、碳化物、氮化物、磷化物和微孔材料负载的单原子催化剂。

同时，根据每种非碳基单原子催化剂的性质，总结了4种锚定和稳定金属单原子机制，分别为表面缺陷(例如边缘、台阶和阶梯位置)、晶格空位(例如阳离子和阴离子空位)、空间限域和配位策略。此外，作者也对每种锚定和稳定机制的优缺点及适用性做了概括和比较。

图2. 表面缺陷锚定机制的单原子合金案例

要点二：在表征部分，作者主要介绍了2种最为有效的单原子催化剂表征技术：球差校正扫描透射电子显微镜（ac-STEM）和X 射线吸收光谱（XAS，包括X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）），重点介绍了其在鉴别单原子催化剂中单分散原子的原理和典型案例，尤其强调原位XAS 技术在揭示非碳基单原子催化剂的动态催化机制上所起的重要作用。

此外，介绍了第一性原理计算在阐明非碳基单原子催化剂的催化机制的重要地位，强调了高通量计算(high-throughput computational calculations) 和机器学习（machine-learning）在单原子催化剂的智能筛选上起的作用，为高性能催化剂的高效合成指明方向。

图3. DFT计算在揭示几种典型的非碳基单原子催化剂的电子结构和吉布斯反应自由能的应用案例

要点三：作者总结了8种非碳基单原子催化剂在电催化领域的应用，包括氢析出（HER）、氧析出（OER）、氧还原（ORR，包括4电子和2电子反应）、氮还原（NRR）、二氧化碳还原（CRR）以及双/多功能催化反应等。根据反应类型总结了非碳基单原子催化剂性能，并将其主要的性能指标列于同一个表格中以便于比较。

同时，还针对每种非碳基单原子催化剂的特性，提出了其主要的优缺点和适用性。此外，提出了影响非碳基单原子催化剂稳定性因素，除了载体类型和负载的金属原子种类，还需要考虑反应的体系和条件，如反应介质、温度、气氛和电势等。

图4. 几种MoS2负载的单原子催化剂在HER的应用案例

要点四：通过对非碳基单原子催化剂的总结，提出了其现存的主要问题和提出了相应的解决方案以及未来发展方向。如可根据其锚定机制，提出对应的措施来提高单原子的载量，以此来提升催化剂的整体性能。

对于晶格缺陷锚定机制的非碳基单原子催化剂，可开发新型的富含缺陷、导电性良好的二维载体来提高金属载量和性能。针对目前非碳基单原子催化剂在电催化领域应用的局限性，如在氢氧化（HOR）、酸性OER，CRR 和 NRR等反应研究较少，可加强其在这些催化反应的研究，同时要拓宽非碳基单原子催化剂在能源相关领域的实际应用，如碱金属离子电池、金属空气电池、燃料电池，电解水等器件方面的应用。

此外，作者也指出了非碳基单原子催化剂的潜在发展方向，如普适性构筑，大规模可控合成、先进原位表征技术、催化机制揭示以及催化剂筛选等方面。

图5. 非碳基单原子催化剂未来潜在发展方向

文章链接

Non-carbon-supported single-atom site catalysts for electrocatalysis

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00248a#!divAbstract

通讯作者介绍

孙文平，博士生导师。

分别于2008年和2013年在中国科学技术大学材料科学与工程系获学士和博士学位。曾获中科院优秀博士学位论文奖和Australian Research Council (ARC) Discovery Early Career Researcher Award (DECRA)。2013-2016年，先后在新加坡南洋理工大学和澳大利亚伍伦贡大学开展博士后研究工作。2016年在ARC资助下开始在伍伦贡大学开展独立科研工作，已指导博士研究生、博士后以及联合培养博士生多名，主持及共同主持4项ARC研究项目。2020年加入浙江大学材料科学与工程学院。长期从事电化学能源器件及关键材料的研究（燃料电池、电解水制氢、新型二次电池等），在Adv. Mater.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、 Nano Lett. 、Energy Stor. Mater. 等期刊以通讯作者或第一作者发表论文70余篇，论文累计被引8000余次，H-index 48 (Google Scholar)。

受邀为Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等期刊撰写综述论文多篇。担任Frontiers in Chemistry (Electrochemistry Section)和Materials for Renewable and Sustainable Energy期刊编辑(Associate Editor), Chemistry-An Asian Journal客座编辑以及中国化学快报(Chinese Chemical Letters)青年编委。长期担任ARC、SNSF等项目评审人，以及Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、 Sci. Adv.、Joule、 Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Catalysis、 Nano Energy、 ACS Nano、Chem. Sci. 等60余个主流学术期刊审稿人。

https://person.zju.edu.cn/wenpingsun

王定胜，博士生导师。

1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授。

2015年获博士生导师资格。研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖。发表学术论文100余篇，含1篇Nature Chem.、1篇Nature Nanotech.、1篇Nature Catal.、10篇Nature Commun.、12篇J. Am. Chem. Soc.、14篇Angew. Chem. Int. Ed.、12篇Adv. Mater.等。

第一作者介绍

郑小波博士后。

2013年于江西理工大学冶金与化学工程学院获得学士学位，2016年于中南大学冶金与环境学院获得硕士学位，导师为李新海教授，2020年于澳大利亚伍伦贡大学获得博士学位，导师为窦士学院士和孙文平教授。2020年12月加入清华化学系，从事博士后研究，合作导师为李亚栋院士。同期入选清华大学2020年“水木学者”计划。主要从事新能源材料与器件及先进储能技术方面的研究，致力于开发高性能、稳定、廉价的功能材料，揭示其构效机制，实现其在碱金属离子电池、金属-空气电池、燃料电池、电解水制取氢等新能源领域的应用。其成果在Angew. Chem. Int. Ed.、 Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Energy Stor. Mater.、 Nano Lett. 、Nano Energy、Electrochim. Acta 等期刊发表，获得授权发明专利2项.