刘彬教授&杨鸿斌教授AEM综述：单原子配位工程用于氧还原- 大数跨境

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刘彬教授&杨鸿斌教授AEM综述：单原子配位工程用于氧还原

科学材料站

2020-12-04

导读：该文章总结并分析了单原子的配位环境对氧中间体吸附的影响以及和ORR活性、选择性的关系，最后指出了现存的问题和提供了解决思路。

文章信息

单原子配位工程用于氧还原

第一作者：张金城

通讯作者：刘彬*，杨鸿斌*

单位：新加坡南洋理工大学，苏州科技大学

研究背景

氧还原反应（ORR）限制了电池器件的发展，单原子催化剂相比传统的贵金属催化剂具有活性高，选择性高，稳定性好等优点，因此被认为是非常有吸引力的下一代催化剂。然而，单原子的构效关系至今还不清楚。

本篇综述总结了金属中心、配位数、配位的N原子种类、杂原子配位、双原子和碳基底的几何结构对氧中间体吸附能的影响以及和ORR活性、选择性的关系，并就如何进一步理解和解决单原子研究中存在的问题进行了讨论。本文为未来的研究提供了思路和方向，有助于加速单原子的研究及发展。

文章简介

近日，来自新加坡南洋理工大学的刘彬教授与苏州科技大学的杨鸿斌教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials（影响因子：25.245）上发表题为“Coordination Engineering of Single‐Atom Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction: A Review”的综述文章。

该文章总结并分析了单原子的配位环境对氧中间体吸附的影响以及和ORR活性、选择性的关系，最后指出了现存的问题和提供了解决思路。

图1. 调控单原子电子结构的策略。

本文要点

要点一：金属中心对ORR的影响

由于d带中心不同，不同金属中心对ORR活性影响不同。一般地，d带中心越高，单原子对氧中间体吸附越强。单原子中，Fe是目前最好的4e-催化剂，Co是目前最好的2e-催化剂。

要点二：金属中心周围环境的影响

配位数越少，单原子对中间体的吸附越强；吡啶N配位的金属中心比吡咯N配位的金属中心对氧中间体吸附更强；杂原子能有效调节吸附能进而改变活性；双原子能进一步提高活性，一是加入第二类金属能调控第一类金属中心的电子结构；二是两种金属都作为活性中心参与反应。

要点三：碳基底的影响

FeN4有多种不同的结构，例如FeN2+2, FeN4C8, FeN4C10和FeN4C12。FeN2+2被认为活性低。此外，研究表明FeN4C8活性最高，FeN4C10次之，FeN4C12最弱。它们在反应中有不同的吸附结构以及会经历不同的结构变化。

要点四：总结和展望

1. 单原子结构的确定：同步辐射是目前最主要的表征手段，但是其只能得到平均的结构信息，不能得到局部准确的信息。因此，开发新的合成手段合成结构精确的单原子以及发展更先进的表征手段很关键。

2. 单原子在反应中结构是不断变化的，因此发展更多原位的测试手段有助于揭示单原子的结构演变。

3. 已经有研究表明Fe, Sn等单原子的反应机理和其他的单原子不同，scaling relationship被打破，这种情况是否也存在于其他的单原子中，应该得到更多的关注，这有利于更好地指导催化剂的开发。

4. 单原子虽然在ORR半反应中已经有了很大进展，但是在器件中的表现不尽如人意。因此，合成多层次的单原子催化剂，在其他基底上构建单原子催化剂，以及开发一体化的单原子电极可能是未来的研究热点。

文章链接

Coordination Engineering of Single‐Atom Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction: A Review

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202002473

通讯作者介绍

刘彬教授

于2002年获新加坡国立大学学士学位（一等荣誉），2004年获该校硕士学位，之后于2011年在美国明尼苏达大学获取博士学位。2011-2012年在美国伯克利加州大学杨培东教授课题组从事博士后研究。2012年任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院助理教授，并建立电催化研究实验室。2017年2月，刘彬老师晋升为副教授，获得终身教职。刘彬教授的研究成果在国际著名期刊如Nature Energy, Nature Communications, Science Advances, Joule, Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等发表论文100余篇，他引次数近万次。

杨鸿斌教授

本科毕业于兰州大学材料系，复旦大学物理系博士。2017年受聘苏州科技大学材料科学与器件研究院教授，江苏省特聘教授。主要研究兴趣包括无机纳米材料合成制备，及其在光电催化，洁净能源及生物医疗中的应用。包括：1：配位结构可调的单原子催化剂可控及低成本批量制备。2：单原子催化剂在能源存储转化，小分子转化合成及生物医药领域中的应用。3：基于单原子催化体系的催化反应机理研究，如二氧化碳还原，产氢，氧还原反应。4：高效低成本电化学制氢催化剂及器件研制。已在Nature Energy, Science Advances, J. Am. Chem. Soc., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Nano, Adv. Energy Mater., 等期刊发表论文100余篇。