Small Methods:基于富碳材料的非贵金属单原子电催化剂在CO2还原和水裂解析氢体系中研究进展

发展高效稳定电催化CO2还原和水裂解析氢反应的催化材料是发展可持续能源转化技术的关键。近年来,单原子催化剂由于其原子利用率高、金属原子与载体间相互作用力强、催化活性高和配位数低等特性,被认为是电催化CO2还原和水裂解析氢反应的新兴电催化剂。同时,相对于众所周知的催化活性高但规模化应用难贵金属单原子电催化剂,发展廉价、储量丰富的高活性非贵金属单原子电催化剂是长期以来存在的关键核心问题。近年来,富碳材料由于其显著催化稳定性、独特表面物化性质及较高电导能力受到了广大研究者的青睐。因此,开发具有优异电催化活性和稳定性的富碳非贵金属单原子催化剂对于促进电催化CO2还原和水裂解析氢反应的发展具有重要的现实意义。

近期,浙江大学化工学院杨彬副教授,侯阳研究员与纽约州立大学布法罗分校武刚教授总结了近年来关于富碳非贵金属单原子催化剂在电催化CO2还原和水裂解析氢反应方面的研究成果。首先,作者概括了先进的单原子电催化剂表征技术,并介绍了其电催化CO2还原和水裂解析氢反应性能的评价标准。其次,该论文从碳纳米球、碳纳米纤维、石墨烯、氮化碳、共价三嗪骨架、金属有机骨架衍生的纳米碳和酞菁衍生的纳米碳等富碳材料出发,分别按照Ni、Co、Fe、Zn、Sn和Ni、Co、Fe、Mo、W顺序,系统分析了富碳非贵金属单原子催化剂在电催化CO2还原反应和水裂解析氢方面的应用,重点关注其材料的合成方法、电催化性能以及结构与催化活性之间的构效关系。最后,作者从金属元素、载体和单原子活性位点的配位环境三个方面进行总结,并针对富碳非贵金属单原子电催化剂发展所面临的主要挑战和未来的展望进行探讨。作者认为,提高单原子金属的负载量、开发多金属位点的协同催化、构筑高活性的金属-氮/硫等配位环境、结合精准原子/分子级材料分析表征技术和理论计算将会是今后进一步发展高性能富碳非贵金属单原子电催化剂的关键步骤。

相关综述论文“Carbon-rich Non-precious Metal Single Atom Electrocatalysts for CO2 Reduction and Hydrogen Evolution”在线发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201900210)上。该论文第一作者为浙江大学化工学院硕士生汪婷婷。