Nano Select:如何选择高效的电催化剂:纳米还是单原子?

随着化石燃料的大量消耗和二氧化碳的过度排放,能源危机和环境污染变得越来越严重。开发用于电催化反应(例如:氢生成反应,二氧化碳还原反应,氧还原反应,氧释放反应,氮还原反应等)的高效电催化剂被认为是缓解这些能源和环境危机的有效策略之一。但是,由于大多数情况下电催化剂的电催化性能仍然很低,因此电催化还远没有能够实际应用。因此,在过去的几十年中为探索低成本和高效率的电催化剂人们做了大量研究工作。其中,纳米颗粒电催化剂(NPCs)和新兴的单原子位点电催化剂(SACs)被认为是电化学反应中最具潜力的电催化剂。

通常,催化剂的活性位点数量和固有活性是影响催化活性和选择性的关键因素。减小催化剂的尺寸可以有效地改善电催化剂的这一因素,因为减小催化剂的尺寸可以暴露更多的表面活性位点并改变表面的化学结构和电子结构。因此,在过去几十年来,由于纳米颗粒的大小特异性,纳米技术在电催化领域起着不可替代的作用。此外,还有合金化,结构设计,表面工程,界面工程,应变工程和其他手段,可以进一步提高NPCs的电催化性能。更重要的是,通过调节纳米结构,可以更好地理解结构和性能的关系,从而为开发具有优异性能的电催化剂奠定了良好的基础。

清华大学化学系王定胜课题组结合课题组前期的工作,系统、全面地从电催化反应中纳米颗粒和单原子位点电催化剂的影响因素,活性位点以及协同效应等方面概述了近些年的最新研究进展,为选择高效电催化剂提供了指导。

单原子位点催化剂高度分散在载体上,具有孤立的活性位点。与纳米颗粒催化剂相比,单原子位点催化剂具有与均相催化剂相似的反应位点。单原子位催化剂的优点可以从以下四个方面简单总结:(1)单原子位点催化剂的活性位点高度分散(高达100%),这是纳米颗粒催化剂无法实现的。(2)活性中心原子表现出独特的电子结构和配位环境。因为活性中心以单个原子的形式存在,这使得单原子中心催化剂的催化性能与纳米颗粒催化剂相比具有一些独特的性能。(3)单原子位点催化剂的活性位均匀分布,因此它们倾向于显示相似的空间构型和电子结构。这使得底物和活性位点之间的相互作用变得相同,从而有效地提高了催化选择性。(4)与纳米颗粒催化剂相比,单原子位点催化剂更有利于活性位点的表征,更有利于研究催化剂结构与性能的关系。由于这些独特的特性,单原子位点催化剂在电催化领域引起了极大的关注。

毫无疑问,NPCs和SACs都具有出色的电化学性能。另外,许多催化剂同时包含单个原子和纳米颗粒。在许多情况下,单个原子分散的物种是活性位点,而纳米粒子则不是。但是,有时NPCs的性能要高于SACs。因此,区分其中哪个是反应的活性位点是非常有意义的。但是据目前所知,关于NPCs和SACs之间比较的研究很少。如何选择一种有效的催化剂(NPCs或SACs)仍然是一个问题。本文综述了NPCs和SACs在电催化领域的研究进展,分析了它们在电催化领域的优缺点。另外,从电催化反应中的纳米颗粒和单原子位点电催化剂的影响因素,活性位和协同效应等方面进行了比较讨论。我们相信,及时对此研究热点进行回顾,将有助于人们对纳米颗粒和单原子位点电催化剂获得实验和理论上的理解,为选择高效电催化剂提供指导。相关论文在线发表在Nano Select (DOI: 10.1002/nano.202000239)上。