Small Methods: 原子级厚度催化剂现状及展望

原子级厚度催化剂(Atomic thickness catalysts,ATCs)由于其高比表面积和原子利用率的特征,逐渐成为一种热门的高效催化能量转换的催化剂。ATCs类材料主要包括非层状结构材料,如金属(合金),过渡金属氧化物(TMOs)和碳基材料和层状结构材料,如水滑石(LDHs),过渡金属硫化物(TMDs)等。近年来ATCs材料在电化学催化氧还原反应(ORR),甲酸氧化反应(FAOR),甲醇氧化反应(MOR)、乙醇氧化反应(EOR)、析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、二氧化碳还原反应(CRR)等领域都取得了较大的研究进展。清华大学李亚栋院士、王定胜教授对近期ATCs的合成及相关应用进行了综述,并对ATCs这类材料的未来发展所遇到的挑战提出了思考。

文章具体的论述了合成不同类型ATCs的方法,“自上而下法”包括湿化学合成、水热法、模板辅助法、电化学辅助法和化学气相沉积方法;“自下而上法”包括机械压缩,剥离或液相剥离辅助法。ATCs这类材料在催化ORR,FAOR,MOR,EOR,HER,OER和CRR的应用中不断突破传统催化剂活性与稳定性的极限。

随后作者评论了ATCs发展面临的机遇和挑战:如大规模合成均-ATCs方法仍待进一步研究探索;ATCs在某些合成方法中会有大量表面活性剂残留,阻碍催化活性位点暴露;ATCs这类材料对高压电子束非常敏感,以至于影响其形貌或者结构等表征。

       作者同样对ATCs的未来进行了展望:结合现有ATCs材料催化思路设计表面掺杂或应力调整的ATCs材料,探索更好的催化性质;探索优异的非贵金属的ATCs材料以取缔传统贵金属(如铂碳)催化剂;在燃料电池应用中,如FAOR和EOR反应,基于贵金属Pt基或Pd基ATCs对CO等中间体的弱抗中毒能力,需要更多的研究去探索价格低廉,高活性、高稳定性的ATCs催化剂。本研究以综述形式成果在线发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000248)