乔世璋/凌涛/尹鹏飞Adv. Sci.：通过催化剂的原子级结构设计提升其光电化学能量转换

邃瞳科学云

2021-12-07

导读：本篇综述总结了近年来通过催化剂原子级结构设计来提升其光电化学反应（PEC-HER、PEC-NRR和PEC-CRR）界面催化能力的研究进展。

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第一作者：赵而玲

通讯作者：凌涛*，尹鹏飞*，乔世璋*

单位：天津大学，澳大利亚阿德莱德大学

研究背景

光电化学(PEC)是一种将太阳能转化为化学能源的有效途径。历经几十年的研究，人们在设计和开发先进的光电催化剂方面积累了大量的经验。然而，这些研究大部分都致力于如何提升光电极的光吸收效率，如何促进载流子的快速分离和转移，对于光电催化剂表面催化过程的关注还很少。

而作为PEC过程的其中一个环节，表面催化的好坏同样会影响器件的最终性能。鉴于此，本篇综述总结了近年来通过催化剂原子级结构设计来提升其光电化学反应（PEC-HER、PEC-NRR和PEC-CRR）界面催化能力的研究进展。

文章简介

在这里，来自天津大学的凌涛教授，尹鹏飞副研究员与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Advancing Photoelectrochemical Energy Conversion through Atomic Design of Catalysts”的综述文章。

该文章主要展示了在原子级尺度上设计高效光电催化剂的有效策略，回顾了各类光电化学反应在原子尺度设计催化剂方面取得的进展（图1），并指出目前在研究中存在的挑战，为未来的光电催化研究提供了方向，有助于高性能光电催化剂的构建及实际应用。

图1. 通过光电催化剂的原子级结构设计增强 PEC驱动的太阳能到燃料/化学能转化的示意图。

本文要点

要点一：光电化学体系的反应机理

本综述先简要的介绍了光电化学反应的四个基本过程，即光的吸收，载流子的分离、传输以及催化剂的表面催化反应（图2）。并对常见光电化学反应（PEC-HER、PEC-OER、PEC-NRR 和 PEC-CRR）的界面催化过程及反应机理做了总结性的介绍。

图2. PEC器件中的光吸收、载流子的分离、传输及界面催化反应过程的示意图。

要点二：通过原子级结构设计提升光电催化性能的基本策略

其次，作者总结了在光电化学反应（PEC-HER、PEC-NRR和PEC-CRR）中，实现催化剂原子级结构调控的有效策略，包括：

1）构造（点）缺陷。空位缺陷的引入可以调节催化剂的局部电子结构，有利于速控步的进行，降低反应所需的能垒，而这些新引入的空位还可以作为反应的活性位点；

2）杂原子掺杂。首先，掺杂可以显着改变材料的物理和化学性质，如提升材料的导电性；其次，杂质原子也可以作为催化反应的活性位点；另外，杂质原子还可以激活附近原子成为新的活性位点；

3）构建特定暴露晶面。由于反应物和反应中间体在催化剂不同暴露面上的吸附/解吸特性不同，因此控制晶面也是提高活性的有效方法；

4）应变工程。催化剂内晶格的拉伸或压缩可以改变反应物和中间体的吸附结合能；应变还可以通过改变催化剂自旋状态来影响其催化活性；

5）单原子催化剂的构建。单原子由于其较高的原子利用率，较低的配位环境，特殊的几何及电子结构，通常表现出较高的界面催化能力。

要点三：前瞻

最后，作者提出了光电催化领域的未来研究方向。首先，目前对于光电化学体系中的界面反应机制多是借鉴对应的电催化过程。而在有光参与的条件下，光生热电子的产生是否会改变界面催化过程，还有待进一步的深入研究；

其次，尖端原位表征的发展和先进的理论计算也可以为光电化学能量转换带来新的突破，也是未来研究的发展方向之一；

再次，尽管PEC-HER已经取得了长足的进展，而PEC-NRR和PEC-CRR的研究还处于初级阶段，如何抑制HER的竞争反应并提升对目标产物的选择性是亟待解决的问题。目前，利用光所带来的特有的等离子体共振或是光-热效应来实现PEC-NRR和PEC-CRR的高选择性是未来研究发展的趋势和方向；

最后，开发在太阳光近红外区域内有高响应的PEC 电极可以进一步提升太阳光的利用率并促进全光谱驱动PEC系统的发展。

文章链接

Advancing Photoelectrochemical Energy Conversion through Atomic Design of Catalysts

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202104363

通讯作者简介

尹鹏飞副研究员

2015年于天津大学材料科学与工程学院获得博士学位。随后在新加坡南洋理工大学和香港城市大学张华课题组从事博士后研究工作。2021年6月起加入天津大学，现为材料科学与工程学院副研究员。致力于材料制备-结构-功能的研究：利用气相及胶体液相法可控合成高质量二维半导体材料及复合纳米材料体系；探索新结构材料在光电、催化等新能源领域的应用。迄今已在国际主流学术期刊共发表论文24篇。以第一作者（共同一作）及通讯作者发表了：Adv. Mater. (3), Small (1), Adv. Sci. (1)等10篇文章。

凌涛教授

天津大学材料学院教授。2009年于清华大学材料科学与工程系获得博士学位，2009年10月起就职于天津大学，2017年入选国家自然科学基金优秀青年基金。从事催化新材料原子结构调控以及在洁净能源高效转换和利用的研究。以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Nat. Commun.（2篇）、Adv. Mater.（6篇）、Angew. Chem. Internat. Ed.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等期刊发表论文40多篇。

课题组主页：http://mse.tju.edu.cn/info/1144/1499.htm

乔世璋教授

现任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis，CMEC）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。作为通讯联系人，在 Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表学术论文超过445篇，引用超过715200次，h指数为137（Web of Science）。

课题组主页：

https://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao#

第一作者介绍

赵而玲研究生

2019级天津大学博士研究生，现于材料科学与工程学院从事半导体纳米材料的合成及其光/电催化特性研究。在国内/外知名学术刊物上发表论文5篇。

课题组介绍

http://mse.tju.edu.cn/info/1144/1499.htm

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