Engineering Reports: 以小成大-先进能源系统中的原子催化剂

近些年,随着电催化剂的快速发展,原子催化剂已经成为了先进能源系统中最受关注的研究重点。由于其独特的电子性质与新颖的催化性能,原子催化剂在不同的催化领域均展现出了巨大的发展潜力,特别是在常见的水分解产氢产氧、氧还原、氮还原、二氧化碳还原,甚至在小分子活化转化以及有机催化中均表现出了优异的催化活性、选择性和稳定性。相比于常见的纳米电催化剂,原子催化剂能够最大程度的利用活性催化原子,从而在催化剂低负载的情况下实现高效催化的最终目标。

香港理工大学黄勃龙教授团队针对原子催化剂近些年的快速发展,从合成方法、表征手段以及应用领域等方面进行了全面回顾,并展望了未来原子催化剂的发展方向、机遇与挑战,相关综述论文发表在Engineering Reports (DOI:10.1002/eng2.12327)上。原子催化剂在合成上容易产生原子团聚的问题,从而降低原子催化剂的活性和分散程度。作者首先从合成上,介绍了湿法化学、原子层沉积法、金属有机框架模板法、电沉积技术、原子捕集技术等目前最常用的方法,并分析比较了不同合成方法的优缺点与适用体系。原子催化剂的表征是目前研究中所面临的另一挑战。因此,作者介绍了一般用于表征原子催化剂的常见实验手段,包括高角环形暗场像扫描电镜 (HAADF‐STEM)、扩展X射线吸收精细谱(EXAFS)、X射线吸收近边谱(XANES)和红外光谱等手段。此外,近些年各种原位表征手段也对探索不同催化反应过程与机理尤为重要。根据目前最常见的电催化体系,作者将近些年原子催化剂在产氢、产氧、氧还原、氮还原和二氧化碳还原中的应用进行了回顾和比较,并结合实验与理论计算分析了原子催化剂在不同催化反应中所面临的的挑战。最后,作者对于原子催化剂未来的发展进行了展望。首先是针对原子催化剂电子结构调控的方法,包括锚定金属原子的选择、原子催化剂周边成键环境调控、衬底材料的选择等方面。在未来,关于原子催化剂中的构效关系还需要更深入的讨论,从而提出更精细准确的催化活性指征符。此外,通过调控衬底与锚定金属原子之间的相互作用也成为了优化催化性能的一个重要方向。目前原子催化剂的发展仍然集中在单原子催化剂,实验合成和理论探索对于双原子甚至多原子催化剂的研究还十分有限。因此未来双原子以及多原子催化剂的发展将是进一步提高催化活性和实现灵活定向催化调控的关键。

具有高效催化活性、稳定性和选择性的原子催化剂对于未来在高效能源体系的应用具有重要的研究意义。随着对原子催化剂的进一步探索与研究,相信其能够在能源领域以外更广泛的应用中也带来新的突破。相关综述论文“Designing the future atomic electrocatalyst for efficient energy systems”在线发表在Engineering Reports (DOI:10.1002/eng2.12327)上。