单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展

单原子催化剂(SACs)是一类仅含有孤立的单个金属原子作为催化活性中心的催化材料. 由于其具有100%的原子利用率、 独特的化学结构及优异的催化活性等优点, 近年来在电化学催化和电能转换设备领域备受关注. 本文综合评述了单原子催化材料的设计理念、 合成方法和表征方法, 同时对其在氢电化学循环 (电解水制氢和氢燃料电池领域)的实际应用进行了系统介绍, 并对单原子催化材料的研究和应用前景进行了展望.     

铱基催化剂在酸性析氧反应中的研究进展

降低对化石能源依赖,实现无碳能源需要构建以可再生能源(如太阳能、风能等)为主体的能源框架.氢气是无碳能源框架下的一种较为理想的能源载体,而电解水制氢技术能够有效制备环境友好的高纯氢气.其中,质子交换膜基(PEM)电解水技术相较碱性电解技术能够实现更高的质子导电性、电解效率、响应速度以及产物气体分离能力,展现出较高的应用价值.然而,由于PEM电解技术工作环境为高腐蚀性的强酸条件,极大限制了催化材料的选择范围.同时,由于PEM电解池的阳极端析氧反应效率远远低于阴极端析氢反应,因此析氧反应作为瓶颈反应决定了PEM电解池的总体工作效率.由于其催化条件同时具有强酸性和强氧化性,目前只有铱基催化剂能够保持较长时间催化活性.二氧化铱(IrO₂)是PEM电解水技术商用析氧催化剂.然而由于铱元素在地球上储量极低(0.001 ppm),因此铱基催化剂的使用严重限制了PEM电解池的大规模应用.为发展PEM电解技术,亟需研制出高活性、高稳定性的新型低铱催化剂来替代IrO₂.本文首先总结了酸性析氧反应的催化机理,并给出了衡量材料催化性能的普适方法.其次,总结了多个课题组利用原位表征技术获得的晶化IrO₂以及无定形IrO_x在不同催化条件下的结构变化,以期了解材料的共性催化特征及影响结构变化的可能因素.再次,进一步重点描述了三类常见低铱催化剂,包括异原子掺杂IrO₂(IrO_x)基催化剂、钙钛矿型铱基催化剂及烧绿石型铱基催化剂,并尝试关联材料结构特征与催化本征性能.最后,介绍了该领域尚未解决的问题与挑战,以期在酸性析氧反应条件下进一步平衡催化材料的催化活性和催化稳定性.     

高性能电解水电极催化材料的设计及产品工程

随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向精确定制符合需求的化学品成为化学工程研究发展的探索新方向。电解水制氢是生产高纯氢气并转换储存大规模可再生能源的一种有效方法。为实现高效的电-氢气转换效率,高性能的电解水析氢析氧电极是必不可少的。电解水电极材料具有复杂的化学组成及多层次的结构,其中电极表面催化材料的物理化学性质和形貌结构是决定电解水性能的最主要因素。本文结合本课题组在电解水催化方面的研究工作,综述了近几年国内外电解水电极催化材料的最新研究进展,阐述了电解水电极催化材料以反应机理为导向的催化剂设计理论、以产品性能为导向的催化剂设计方法学（包括纳米结构构筑、晶面调控、载体复合、晶相调节、杂原子掺杂、合金化和聚合物表面修饰）及应用,针对化学产品工程的发展与需要,介绍了电解水电极催化材料跨越分子尺度、微纳结构及合成应用的产品设计和产品工程研究的关键科学问题和发展方向。     

用于高效电催化甘油氧化的CuCoN0.6/CP催化剂(英文)

随着人口的不断增长和经济的高速发展,化石燃料(煤、石油和天然气等)的使用量急剧增加,能源短缺、温室效应、环境污染等问题日益严重.因此,发展可再生的清洁能源以取代化石燃料对人类社会的可持续发展至关重.由于氢气具有能量密度高、来源丰富、清洁无毒等优点,有望成为替代化石燃料的最有前景的可再生能源.然而,目前氢气主要来自化石燃料的蒸汽重整,该过程需要高温高压,而且产生的氢气杂质含量高、纯化过程复杂,不能满足绿色化学生产的要求.利用可再生电力电解水制氢是一种绿色高效的制氢方式,但其实际应用受限于动力学过程缓慢的阳极析氧反应(OER).因此,采用动力学过程更快的有机小分子(甲醇、乙二醇、甘油等)氧化反应来替代OER,不仅可以降低制氢能耗,还能在制氢的同时获得高附加值氧化产物.本文采用水热结合高温焙烧法制备了负载于导电碳纸上CuCoN_0.6(CuCoN_0.6/CP)纳米线催化剂.采用扫描电子显微镜与透射电子显微镜等对催化剂形貌进行表征.结果表明,表面粗糙的CuCoN_0.6纳米线组成的纳米小球与碳纸紧密结合.X射线光电子能谱结果表明,C...     

催化氨硼烷水解制氢研究进展

当前,世界范围内的能源利用面临着巨大的挑战,开发绿色洁净能源十分重要。通过水解氨硼烷制备清洁可再生的氢气是解决能源问题的有效途径之一。选择合适的催化剂有效提高制氢效率是氨硼烷水解制氢的关键,开发高效安全的催化剂一直是该领域研究的重点和热点。本文从影响氨硼烷水解制氢反应中催化剂催化性能的因素出发,综述了活性金属组分和载体在催化剂制备过程中以及催化氨硼烷制氢反应中的作用。最后,对催化氨硼烷水解制氢过程所存在的问题以及今后的发展进行了总结和展望。     

碱性电解水高效制氢

与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。     

单原子配位结构及与载体相互作用的调控用于二氧化碳电催化还原

电催化二氧化碳还原(ECR) 制备高值化学品被认为是在碳中和背景下实现可再生能源存储及降低CO₂浓度的一种有效策略。为了实现此目标,催化剂的开发与设计是ECR研究的关键。单原子催化剂(SACs) 因其独特的电子结构、明确的配位环境和极高的原子利用率,近年来在ECR领域引起了广泛关注。通过调节SACs的中心金属元素种类和局部配位结构,可有效调节SACs对CO₂和其还原中间体的吸附强度和催化活性。本文总结了SACs在ECR领域所取得的最新研究进展,重点讨论了SACs的配位结构及其与载体之间的相互作用对催化活性的影响以及相关调控策略,最后,提出了SACs应用于ECR所面临的机遇与挑战。     

金属-有机骨架材料在催化氨硼烷水解释氢中的研究进展

当前，化石燃料的大量消耗和对能源日益增长的需求推动了可再生和高效能源材料的开发。氢因丰富的来源以及清洁的特性而被视为潜在的能源载体。通过水解氨硼烷制备清洁可再生的氢气是解决能源问题的有效途径之一。开发高效安全的催化剂一直是该领域研究的重点和热点。金属-有机骨架材料（MOFs）因其独特的结构、组成和特性，在氨硼烷水解制氢中有广泛的应用。本文以MOFs材料在催化剂设计制备中的作用为侧重点，综述了不同MOFs材料在催化氨硼烷水解制氢反应中的作用，对其在催化氨硼烷水解制氢应用过程中所存在的问题和今后的发展进行了总结和展望。     

单原子催化剂的制备、表征及催化性能

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

单原子催化剂的制备、表征及催化性能（英文）

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

Recent Advances of Single-atom Catalysts for Electro-catalysis

Single-atom catalysis is the “hot spot” in the field of catalysis due to the special geometries, electronic states, and their unique catalytic performance. Single-atom catalysts(SACs), isolated metal atoms dispersed on the support, show the highest atom efficiency, cutting down the potential cost in the industrial process. Consequently, this “homo-hetero” catalyst could be a promising candidate for the next-generation catalysts. The applications for the SACs are widely reported, like gas-solid reactions, organic reactions, and electro-catalysis. In this mini- review, we will focus on the recent work of SACs on electro-catalysis, including hydrogen evolution reaction(HER), oxygen reduction reaction(ORR), oxygen evolution reaction(OER), CO₂ reduction reaction(CO₂ RR), and nitrogen reduction reaction(NRR).     

非晶非贵金属催化剂的研究进展及展望

近年来电解水产氢作为一种具有前景的制备及储存可再生能源的方法受到了各界的广泛关注.在此过程中,电解水催化剂是提高能源转换效率的关键.优秀的催化剂应具备高催化活性、高稳定性、低成本以及可大规模生产等性质.科研工作者对电解水的两部分反应,即析氢反应以及析氧反应均进行了广泛及深入的研究.目前,贵金属催化剂,如铂基、钌基催化剂的催化活性要高于其他元素催化剂,但由于其价格昂贵,储量较少使得贵金属催化剂无法得到大规模应用,因此发展非贵金属催化剂对绿色能源的发展具有重要意义.一般而言,催化剂的结晶度越高,其催化活性越好,而近年来非晶催化剂以其更高的催化活性位密度也越来越受到人们的重视.同时,非晶催化剂的成分更加灵活,相比晶体催化剂来说非晶催化剂可以在更大范围内对成分进行调节.此外,非晶催化剂的制备通常都在较为温和的反应条件下进行,这也能够降低生成成本,促进其工业化发展.在这篇综述里我们介绍了电解水反应的基本原理,总结了近期非晶析氢、析氧以及双功能催化剂的研究进展.并随后探讨了电解水反应目前的难点并对非晶催化剂的制备进行了展望.     

Designed Single Atom Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting: 3d Transition Metal Atoms Doped Borophene Nanosheets

Single atom catalysts (SAC) for water splitting hold the promise of producing H₂ in a highly efficient and economical way. As the performance of SACs depends on the interaction between the adsorbate atom and supporting substrate, developing more efficient SACs with suitable substrates is of significance. In this work, inspired by the successful fabrications of borophene in experiments, we systematically study the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen evolution reaction (OER) activities of a series of 3d transition metal-based SACs supported by various borophene monolayers (BMs=α_sheet, α₁_sheet, and β₁_sheet borophene), TM/BMs, using density functional theory calculations and kinetic simulations. All of the TM/BMs systems exhibit superior HER performance compared to Pt with close to zero thermoneutral Gibbs free energy (ΔG_H*) of H adsorption. Furthermore, three Ni-deposited systems, namely, Ni/α_BM, Ni/α₁_BM and Ni/β₁_BM, were identified to be superior OER catalysts with remarkably reduced overpotentials. Based on these results, Ni/BMs can be expected to serve as stunning bifunctional electrocatalysts for water splitting. This work provides a guideline for developing efficient bifunctional electrocatalysts.     

磁场效应对理解水分解反应物的可能意义

电催化水分解由两个基元反应构成,即析氢反应(HER)和析氧反应(OER).开发强大的HER和OER技术需要在分子层面理解反应机理,然而,目前水分解反应的反应物还没有完全确定.本文利用磁场来研究HER中的质子传输和OER中的氢离子传输,对确定HER和OER中真实的反应物具有重要意义.磁场是改变离子等带电物质运动的一种有效...     

导电MOFs在能源转化中的应用

可再生能源供应方案包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR)等多种反应,电催化剂对这些反应至关重要。到目前为止,已有一系列导电MOFs作为与能源相关电催化电极材料的报道。本文从提高MOFs导电能力和对产物的选择性、增强MOFs的化学稳定性及增加MOFs的反应活性位点等方面介绍了导电MOFs作为电催化剂的设计策略,重点综述了其在能源转化涉及的HER、OER、ORR以及CO2RR方面的应用,并从材料制备和应用需求角度出发, 对高性能导电MOFs材料在电催化领域所面临的挑战和前景进行了展望。     

Ru−FeNi Alloy Heterojunctions on Lignin-derived Carbon as Bifunctional Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting

Rational design of efficient, stable, and inexpensive bifunctional electrocatalysts for oxygen evolution reactions (OER) and hydrogen evolution reactions (HER) is a key challenge to realize green hydrogen production via electrolytic water splitting. Herein, Ru nanoparticles and FeNi alloy heterojunction catalyst (Ru−FeNi@NLC) encapsulated via lignin-derived carbon was prepared by self-assembly precipitation and in situ pyrolysis. The designed catalyst displays excellent performance at 10 mA cm⁻² with low overpotentials of 36 mV for HER and 198 mV for OER, and only needs 1.48 V for overall water splitting. Results and DFT calculations show the unique N-doped lignin-derived carbon layer and Ru−FeNi heterojunction contribute to optimized electronic structure for enhancing electron transfer, balanced free energy of reactants and intermediates in the sorption/desorption process, and significantly reduced reaction energy barrier for the HER and OER rate-determining steps, thus improved reaction kinetics. This work provides a new in situ pyrolysis doping strategy based on renewable biomass for the construction of highly active, stable and cost-effective catalysts.     

Carbon‐Based Metal‐Free Catalysts for Electrocatalysis beyond the ORR

Besides their use in fuel cells for energy conversion through the oxygen reduction reaction (ORR), carbon‐based metal‐free catalysts have also been demonstrated to be promising alternatives to noble‐metal/metal oxide catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) in metal–air batteries for energy storage and for the splitting of water to produce hydrogen fuels through the hydrogen evolution reaction (HER). This Review focuses on recent progress in the development of carbon‐based metal‐free catalysts for the OER and HER, along with challenges and perspectives in the emerging field of metal‐free electrocatalysis.     

Electrocatalysts Based on Transition Metal Borides and Borates for the Oxygen Evolution Reaction

Electrochemical water splitting is a clean and sustainable process for hydrogen production on a large scale as the electrical power required can be obtained from various renewable energy resources. The key challenge in electrochemical water splitting process is to develop low-cost electrocatalysts with high catalytic activity for the hydrogen evolution reaction (HER) on the cathode and the oxygen evolution reaction (OER) on the anode. OER is the most important half-reaction involved in water splitting, which has been extensively studied since the last century and a large amount of electrocatalysts including noble and non-noble metal-based materials have been developed. Among them, transition metal borides and borates (TMBs)-based compounds with various structures have attracted increasing attention owing to their excellent OER performance. In recent years, many efforts have been devoted to exploring the OER mechanism of TMBs and to improving the OER activity and stability of TMBs. In this review, recent research progress made in TMBs as efficient electrocatalysts for OER is summarized. The chemical properties, synthetic methodologies, catalytic performance evaluation, and improvement strategy of TMBs as OER electrocatalysts are discussed. The electrochemistry fundamentals of OER are first introduced in brief, followed by a summary of the preparation and performance of TMBs-based OER electrocatalysts. Finally, current challenges and future directions for TMBs-based OER electrocatalysts are discussed.     

Strategies for Improving the Catalytic Performance of 2D Covalent Organic Frameworks for Hydrogen Evolution and Oxygen Evolution Reactions

Hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) have been deemed as clean and sustainable strategies to solve the energy crisis and environmental problems. Various catalysts have been developed to promote the process of HER and OER. Among them, two-dimensional covalent organic frameworks (2D COFs) have received great attention due to their diverse and designable structure. In this minireview, we mainly summarize the diverse linkages of 2D COFs and strategies for enhancing the catalytic performance of 2D COFs for HER and OER, such as introducing active building blocks, metal ions and tailored linkages. Furthermore, a brief outlook for the development directions of COFs in the field of HER and OER is provided, expecting to stimulate new opportunities in future research.     

TiS2 Monolayer as an Emerging Ultrathin Bifunctional Catalyst: Influence of Defects and Functionalization

We have envisaged the hydrogen evolution and oxygen evolution reactions (HER and OER) on a two-dimensional (2D) noble-metal-free titanium disulfide (TiS₂) monolayer, which belongs to the exciting family of transition metal dichalcogenides (TMDCs). Our theoretical investigation to probe the HER and OER on both the H and T phases of 2D TiS₂ is based on electronic-structure calculations witihin the framework of density functional theory (DFT). Since TiS₂ is the lightest compound among the group-IV TMDCs, it is worth exploring the catalytic activity of a TiS₂ monolayer through the functionalization at the anion (S) site, substituting with P, N, and C dopants as well as by incorporating single sulfur vacancy defects. We have investigated the effect of functionalization and vacancy defects on the structural, electronic, and optical response of a TiS₂ monolayer by determining the density of states, work-function, and optical absorption spectra. We have determined the HER and OER activities for the functionalized and defective TiS₂ monolayers based on the reaction coordinate, which can be constructed from the adsorption free energies of the intermediates (H*, O*, OH* and OOH*, where * denotes the adosrbed state) in the HER and OER mechanisms. Finally, we have shown that TiS₂ monolayers are emerging as a promising material for the HER and OER mechanisms under the influence of functionalization and defects.