Advanced Energy Materials:碳基载体上原子级分散的过渡金属位点电子结构调控及其电催化应用研究进展

近年来,基于杂原子配位稳定的过渡金属单原子获得了广泛的研究与关注。碳载体良好的导电性、单原子最大化的原子利用率以及金属原子与载体之间独特的相互作用使得此类材料在能量转化相关的电催化领域具有光明的应用前景。随着研究的深入,关于实现单金属原子在碳载体上的密集分布、其配位结构表征以及催化反应机理等方面的研究均取得了一定的成果。许多先驱性的研究工作逐步开始关注局部配位原子环境对金属原子中心的电子结构影响及其所引起的活性变化规律。对于原子级别的金属活性中心,其电子结构对周围的局部配位环境更加敏感;而碳载体具有可调节的杂原子掺杂类型和掺杂形式,这使得通过调控碳载体上局部原子环境实现高活性单原子电催化剂的理性设计成为可能。

基于此背景,纽约州立大学布法罗分校武刚课题组与昆明理工大学化工学院梅毅课题组联合发表综述,对关于碳基载体上原子级分散的过渡金属位点电子结构调控的研究工作进行了分类总,并介绍了所涉及的调控机理。其调控手段包括:(1)通过杂原子掺杂调控长程原子环境;(2)通过边缘、缺陷工程改变局部配位环境;(3)金属原子中心上引入外部配体;(4)构筑双金属原子活性位点。随后,作者重点介绍了当前几种普适性的可控单原子合成方法,其中包括MOFs碳化衍生,空位捕捉金属原子,模板辅助合成。在此基础上,作者基于电催化氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、二氧化碳还原反应(CO2RR)、氮还原反应(NRR),进一步介绍了通过局部配位环境调控实现催化性能提升的相关研究工作。

文章的最后对此类单原子电催化剂的发展方向进行了展望。作者认为,开发更直观的结构-活性描述符和充分利用原子级分散的多金属位点间协同效应将有助于此类单原子催化剂的理性设计和活性的进一步提升。与此同时,基于碳载体的过渡金属单原子的稳定性问题是此类材料在实际应用中所面临的另一个重大挑战。寻求碳载体的高石墨化程度、金属位点的密集分布以及金属单原子的配位原子环境优化之间的平衡需要更多研究工作的进一步努力和探索。 该综述文章“Engineering Local Coordination Environments of Atomically Dispersed and Heteroatom-Coordinated Single Metal Site Electrocatalysts for Clean Energy-Conversion”在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201902844)。