Small Structures:原子级金属电沉积技术及其在电化学能源转化方面的应用

金属电催化剂被广泛应用于异相催化反应。金属催化剂具有价格昂贵或低活性等问题,严重阻碍了其在电化学能源转化的大规模实际应用,因此最大化提高原子利用率和金属本征催化活性对于金属电催化剂的设计和发展至关重要。金属纳米/块状结构的自身性质(几何效应、合金效应、量子尺寸效应等)决定了很难充分利用这些材料中的每一个金属原子,并且真实的催化活性位点也很难阐释清楚。相较而言,原子级金属催化剂(单原子层/单原子金属)具有100%的金属利用率、低金属配位数和强金属-载体相互作用等优点,通常在能源转换中表现出极高的催化活性、选择性和稳定性。此外,单原子层/单原子金属结构清晰和活性位点均一,是研究催化机理的理想模型体系。这些机理研究有利于从原子尺度深刻理解催化反应构效关系,为构建高性能催化剂提供理论指导。相较于很多常规原子级构建金属催化剂的方法具有能量消耗高、条件苛刻、程序繁琐、不可控和负载量低等问题,电化学/电沉积技术通常在常温常压下进行,不需要表面活性剂和还原剂,具备简单、快速、可控等优点,因此近年来也受到研究者们的关注。

新加坡南洋理工大学颜清宇团队,新加坡科技研究局徐建伟团队等综述了原子级金属电沉积的研究进展,着重介绍了电沉积技术制备原子级金属催化剂的原理和优势、合成策略以及其在电化学能源转换方面的应用和催化机理研究。在合成策略方面,根据不同的沉积原理对原子电沉积技术进行分类和总结,并进一步阐述和突出了自限制的欠电位沉积技术原理及其在单原子层/单原子金属沉积方面的应用。概述了单原子层/单原子金属在电化学能源转化中的应用,包括析氢(HER),析氧(OER),氧还原(ORR),二氧化碳还原(CRR),氮还原(NRR),有机小分子电催化氧化(FAOR,MOR)等。

文章首先介绍了金属电沉积技术的原理和实验装置,着重阐述了表面限制的电化学技术(欠电位沉积)用于原子级金属催化剂“自我终止”(self-terminating)生长的基本原理。随后,概述了各种原子级电沉积方法,包括阳极溶出、直接电化学还原、欠电位沉积和电化学刻蚀。讨论了方法各自的特点、优势和代表性工作。相应地总结了电沉积技术、金属前驱体、电解质、浓度、沉积时间等影响原子级电沉积的各种因素。本综述概述了这些原子级催化剂在电化学能量转换中的应用(HER,OER,ORR,CRR,NRR,FAOR,MOR等)以及催化机理(位点孤立效应、金属-载体电子相互作用、应力效应、协同效应等)。最后,作者们对原子级电沉积技术领域的挑战、潜在应用和未来方向进行了展望。

论文信息:

Atomic-Level Metal Electrodeposition: Synthetic Strategies, Applications, and Catalytic Mechanism in Electrochemical Energy Conversion

Yi Shi, Carmen Lee, Xianyi Tan, Lan Yang, Qiang Zhu, Xianjun Loh, Jianwei Xu*, Qingyu Yan*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100185

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100185