单原子催化剂在光催化二氧化碳还原中的研究进展

通过光催化技术将二氧化碳转化成增值的含碳化学品或燃料是解决能源危机和温室效应的一种可持续性方法. 开发高效、 廉价及高稳定性的光催化剂是提高光催化二氧化碳还原(CO₂RR)效率所面临的一大挑战. 单原子催化剂由于具有原子利用率高及电子环境可调等特性而在催化领域被广泛研究. 在光催化二氧化碳还原中, 金属单原子的加入不仅可调节光催化剂的能带结构及吸光性能等物理性质, 还可以有效提高其光生电荷转移效率, 并为研究光催化反应机理提供理想的平台. 近年来, 单原子光催化剂在二氧化碳还原领域的研究发展迅速. 本文综合评述了单原子催化剂在光还原二氧化碳反应中的研究进展, 介绍了不同载体的单原子催化剂的典型研究成果, 并展望了未来的研究趋势.     

单原子催化剂电催化还原二氧化碳研究进展

电催化CO₂还原能够在常温常压下利用电能将CO₂转化为含碳清洁能源,具有很好的应用前景。 但其应用仍受缓慢的阴极催化剂限制。众所周知,催化剂的尺寸对其活性有很大的影响,将金属催化剂减少到纳米颗粒级别,能够显著提升其暴露的活性位点数和本征活性,从而提升其催化性能。在这一思路下,如果将催化剂的尺寸降低到单原子分散级别,催化剂的活性能够得到明显提升。近几年,由于单原子分散催化剂具有特殊的微观几何结构和电子态,已经成为电催化还原CO₂领域的研究热点。在本综述中,对单原子分散催化剂在电催化还原CO₂方面的研究进行了总结和回顾,并对未来单原子分散催化剂在电催化还原CO₂领域的难点问题和进一步研究方向进行了分析和讨论。     

在大电流密度电催化二氧化碳还原反应中的单原子催化剂

二氧化碳电还原(ECR)是一种环境友好的能源转换方式,可以将CO₂转化为各种具有高附加值的燃料或化学品,但是在大电流密度下通常存在反应活性、产物选择性和长周期稳定性差的问题。单原子催化剂具有高选择性、高催化活性和高原子利用率等优点,在ECR过程中具有巨大的潜力。如何设计高活性、高选择性和长周期稳定性的单原子催化剂用于大电流密度下电催化CO₂还原成为该领域的热点研究问题。本文综述一系列单原子催化剂在大电流密度下的ECR反应的研究进展,重点总结了增强单原子催化剂在大电流密度下ECR性能的活性、产物选择性及长周期稳定性调控机制,为系统设计和制备ECR单原子催化剂提供了思路,并对ECR单原子催化剂工业化应用的机遇与挑战进行了展望。     

基于单原子催化剂的二氧化碳选择性转化

Industrial revolution has led to increased combustion of fossil fuels. Consequently, large amounts of CO₂ are emitted to the atmosphere, throwing the carbon cycle out of balance. Currently, the most effective method to reduce the CO₂ concentration is direct CO₂ capture from the atmosphere and pumping of the captured CO₂ deep underground or into the mid-ocean. The transformation of CO₂ into high-value chemicals is an attractive yet challenging task. In recent years, there has been much interest in the development of CO₂ utilization technologies based on electrochemical CO₂ reduction, photochemical CO₂ reduction, and thermal CO₂ reduction, and CO₂ valorization has emerged as a hot research topic. In electrochemical CO₂ reduction, the cathodic reaction is the reduction of CO₂ to value-added chemicals. The anodic reaction should be the oxygen evolution reaction, and water is the only renewable and scalable source of electrons and protons in this reaction. There is a plethora of research on the use of various metals to catalyze this reaction. Among these, Cu-based materials have been demonstrated to show unique catalytic activity and stability for the electrochemical conversion of CO₂ to valuable fuels and chemicals. Moreover, the solar-driven conversion of CO₂ into value-added chemical fuels has attracted great attention, and much effort is being devoted to develop novel catalysts for the photoreduction of CO₂, especially by mimicking the natural photosynthetic process. The key step in the photocatalytic process is the efficient generation of electron-hole pairs and separation of these charge carriers. The efficient separation of photoinduced charge carriers plays a crucial role in the final catalytic activity. Compared with CO₂ reduction via electrocatalysis and photocatalysis, thermal reduction is more attractive because of its potential large-scale application in the industry. Heterogeneous nanomaterials show excellent activity in the electrocatalytic, photocatalytic, and thermal catalytic conversion of CO₂. However, nanostructured materials have drawbacks on the investigation of the intrinsic activity of the active sites. In recent years, single-site catalysts have become popular because they allow for maximum utilization of the metal centers, show specific catalytic performance, and facilitate easy elucidation of the catalytic mechanism at the molecular level. Accordingly, numerous single-site catalysts were developed for CO₂ reduction to produce value-added chemicals such as CO, CH₄, CH₃OH, formate, and C₂₊ products. Value-added chemicals have also been synthesized with the aid of amines and epoxides. This review summarizes recent state-of-the-art single-site catalysts and their application as heterogeneous catalysts for the electroreduction, photoreduction, and thermal reduction of CO₂. In the discussion, we will highlight the structure-activity relationships for the catalytic conversion of CO₂ with single-site catalysts.     

单原子催化剂在CO2转化中的应用

单原子催化剂(SAC)是由互相隔离分散的原子级活性位点锚定在基底上而形成的一类新兴催化剂材料, 其具有最大化的原子利用率、 可调控的独特电子结构, 因而在热催化、 光催化及电催化等方面展现出良好的应用前景. 通过SAC的热/光/电催化CO₂转化反应(CCR)能将温室气体CO₂转化为燃料或具有附加值的化学品, 为解决严重的全球变暖和能源短缺问题提供了一种有效策略. 本文总结了近年来SAC在CO₂转化领域的研究进展, 讨论了其合成、 调控及催化各类CO₂转化反应的优缺点, 并对其未来的发展进行了展望.     

单原子催化剂在电催化还原CO2领域的应用

温和条件下以CO₂为原料制备高附加值化学品, 是CO₂资源化利用的重要方法, 在众多CO₂转化方法中, 电催化CO₂还原(e-CO₂RR)具有绿色、 清洁及条件可控等优势, 可以促进碳中和, 实现可持续发展. 然而, 由于其缓慢的动力学和较低催化剂活性, CO₂电催化还原仍然存在低选择性, 低电流密度的问题. 单原子催化剂具有最大的原子利用率和明确定义的催化活性位点, 同时因其良好的配位结构和独特的电子结构极大地促进了CO₂电催化还原的动力学过程, 是CO₂电还原领域极具发展潜力的催化材料. 本文讨论了过渡金属和主族金属基单原子催化剂用于电催化CO₂还原的研究进展, 系统总结了杂原子配位, 双/单原子位点, 金属-载体相互作用, 空间限域和分子桥联等策略调控单原子的微环境进而优化催化的性能, 揭示了单原子催化剂在 e-CO₂RR领域内的突出优势和广阔的应用前景. 最后, 分析了单原子催化剂在CO₂电催化转化过程中面临的挑战, 并对其未来进行了展望.     

单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控

氧还原反应(ORR)在电化学能量存储和转换系统以及精细化学制剂的清洁合成中发挥着重要作用. 然而, ORR过程的动力学极其缓慢, 需要使用铂族贵金属催化剂加快其反应动力学速率. 铂基催化剂的高成本严重阻碍了其大规模的商业化. 由于单原子催化剂(SACs)具有结构明确、 本征活性高和原子效率高的特点, 有望取代昂贵的铂族贵金属催化剂. 迄今, 在进一步提高SACs的ORR活性方面已有大量的研究报道, 包括定制金属中心的配位结构、 丰富金属中心的浓度以及设计衬底的电子结构和孔隙率等. 本文综合评述了近年来SACs在ORR性能以及与ORR相关的H₂O₂生产、 金属-空气电池和低温燃料电池等方面的应用研究进展. 总结了通过引入其它金属或配体来调整孤立金属中心的配位结构、 通过增加金属负载来增加单原子位点的浓度以及通过优化载体的孔隙度来优化催化性能和电子传输等方面的研究进展, 并对SCAs的未来发展方向和面临的挑战提出了展望.     

二氧化碳还原转化

正二氧化碳是一种主要温室气体,也是来源丰富、环境友好的可再生碳一资源。其化学转化不仅可固定CO_2,还可获得高附加值能源产品、化学品以及可降解的高分子材料,因此其资源化利用引起了科技界的广泛关注和研究兴趣。     

电化学二氧化碳还原中的铜基催化剂

由于不断增加的二氧化碳排放导致全球变暖,且能源短缺等问题日益恶化,将二氧化碳电化学还原为高附加值化学品和燃料引起了极大的兴趣,设计高效催化剂对实现二氧化碳的高效选择性转化具有重要意义. 在所探索的各种催化剂中,铜基催化剂具有良好的开发潜力,可用于烃类生产. 本文综述了铜基电化学二氧化碳转化材料的最新进展. 分别从尺寸结构到不同形式（合金、氧化物）的铜基催化剂,以及分子催化剂等方面展开,重点讨论铜基催化剂上二氧化碳电解还原的反应机理. 最后,对未来高效铜基催化剂的设计提出展望,以促进二氧化碳转化的可持续发展.     

单原子催化剂在电化学中的研究进展

目前单原子催化剂的研究呈现爆发式增长, 已然成为材料科学和催化领域的明星材料和研究热点. 前期报道的单原子催化剂研究主要针对某一个应用方向进行探讨, 较少研究催化剂的双功能或多功能应用. 近年来, 为了拓展单原子催化剂在更多领域和方向的应用, 具有双功能甚至多功能的单原子催化剂的设计开发备受关注. 本文综合评述了近年来具有双功能活性的单原子催化剂的研究进展, 重点介绍了其在电化学领域中的最新应用研究. 最后, 对具有双功能活性的单原子催化剂发展研究中存在的问题进行了简要分析, 并对未来发展前景进行了展望.     

中科院大连化物所发表单原子催化剂用于二氧化碳转化文章

<正>近期,大连化物所航天催化与新材料黄延强研究员和张涛院士团队受邀在Accounts of Chemical Research上发表了题为"Single-Atom Catalysis toward Efficient CO2 Conversion to CO and Formate Products"的专论文章,总结了研究团队将单原子催化剂用于二氧化碳催化转化研究方面的工作进展,该工作被期刊选为当期的Supplementary Cover。     

单原子催化剂的生物医学应用

单原子催化剂(SACs)具有100%的原子利用率及充分暴露的原子金属活性位点,其催化活性和选择性更具优势,已广泛应用在化学、能源及环境等领域.近年来, SACs在生物医学领域也引起了广泛关注.本文综述了SACs在肿瘤治疗、抗菌、抗氧化和生物传感等生物医学领域的应用及研究进展,并简要总结了SACs未来应用的挑战和机遇,为合理设计多性能的SACs提供了可行策略.     

单原子催化剂在电催化CO2还原中的应用进展(英文)

电催化CO₂还原(ECR)是减少碳排放和促进碳循环的理想方法之一。单原子催化剂(SACs)由于其最大的原子利用率、优异的活性和选择性,已成为多相催化领域的前沿之一进以得到广泛应用。鉴于SACs在ECR领域的探索和应用,本文综述了基于SACs在ECR中应用的研究进展,并提出了SACs在ECR中应用的挑战和前景。具体介绍：(1)介绍了ECR的反应机理,(2) SACs的常用制备策略,(3) SACs在新型Zn-CO₂电池中的应用。最后,提出了SACs在ECR中所面临的挑战和机遇。     

S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型, S原子对FeN4活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN4活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性. S原子掺杂提高氧还原性能的机理为:(1) S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;(2) S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;(3)体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN4位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路.     

非贵金属单原子催化剂的进展与展望

由于良好的催化活性和稳定性,贵金属催化剂已经被广泛应用于各种异相催化反应中,但是贵金属的稀有性和高成本无法满足未来日益增长的催化需求.2011年,张涛课题组成功地制备了高效、稳定的铂单原子催化剂.高效的单原子催化剂利用单个活性位点作为催化活性中心,可能会成为连接同相催化和异相催化的桥梁.然而从经济适用的长远角度考虑,将非贵金属催化剂缩小到原子尺度是否也会展现出优良的催化活性;是否有潜力替代目前已被广泛应用的贵金属催化剂?虽然现阶段非贵金属催化剂的催化性能仍无法达到贵金属催化剂的标准,但是已有相关研究从理论和实验上报道了非贵金属单原子催化剂及其优异的性能表明了其在未来发展中极其重要,因而,可以预见这两个疑问的答案都是肯定的.单原子概念的出现不仅为提高贵金属的催化性能及成本的降低指明了方向,同时也为制备具有高催化活性、甚至可与贵金属催化剂相媲美的非贵金属催化剂提供了可能性.我们在上述背景下,阐述了对单原子的概念日益加深的机制认知,并从理论和实验上概述了非贵金属单原子催化剂近期的发展情况,指出了目前的在单原子催化剂领域需要解决的一些问题,最后,针对研究现状,我们对未来单原子的发展提出了相应的展望.单原子催化剂具有较高的表面能,因而,如何寻找合适的基体与单原子相互作用,进而,使基体材料像一只手一样稳固地"抓紧"单原子,因而,降低其高表面能则是发挥优良催化性能的基础.强金属–基体相互作用(SMSI)不仅可以将单原子限制在基体表面,亦会影响整个催化过程.目前应用于单原子催化剂的基体种类很多,如金属氧化物、金属以及其他材料,而对SMSI认知则主要分两大类,一类是源自于基体表面的结构缺陷,另一类是源于其电子缺陷.从目前的发展状况来看SMSI机制仍有很多疑惑尚未解决,例如对电子转移影响的认知等.理论研究表明,在某些反应中非贵金属单原子展示出可替代贵金属的催化性质.比如,在一氧化碳优先反应(PROX)中,单原子钴和钛展示出的催化性能可与贵金属相媲美;理论计算同样证明单原子镍在一氧化碳还原中的催化活性比单原子铱优秀,甚至与单原子铂类似.大量的实验进展也报道了非贵金属单原子同样能在其他反应中展现出优异的性能,如氧析出反应(OER)、氢析出反应(HER)和氧还原反应(ORR).对于单原子催化剂,还有很多问题需要我们去解决,例如基体对于催化过程的具体影响、非贵金属的电子结构对于其催化性能的影响,以及单原子在基体上产生相互作用的位点等问题.纵然有许多问题需要更加深入的研究,但是单原子概念的出现,使得非贵金属催化剂材料取代传统贵金属催化剂成为了可能.     

基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。     

单原子催化剂在电化学合成氨中的理论研究进展

传统Haber-Bosch工艺合成氨需要大量的能源消耗和复杂的工厂基础设备。在可再生能源的推动下,将氮气电化学还原为氨被认为是替代Haber-Bosch工艺最有效的方法,这在科学界引起了极大的关注。然而,这个过程受到氨产量和法拉第效率低的影响,因此开发更有效的电催化剂对其实际应用至关重要。在之前报告的催化剂中,单原子催化剂（SACs）在高效利用原子和不饱和配位方面表现出显著优势,这为优化催化剂性能提供了巨大的空间。文章综述了单原子催化剂在电化学合成氨中的理论研究,详细分析了贵金属催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂这3类单原子催化剂的性能表现,旨在为电化学合成氨技术的发展提供理论参考。     

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

The combustion of fossil fuels increases atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentrations, leading to adverse impacts on the planetary radiation balance and, consequently, on the climate. Fossil fuel utilization has contributed to a marked rise in global temperatures, now at least 1.2 ℃ above 'pre-industrial' levels. To meet the 2015 Paris Agreement target of 1.5 ℃ above pre-industrial levels, considerable efforts are required to efficiently capture and utilize CO₂. Among the different strategies developed for converting CO₂, electrochemical CO₂ reduction (ECR) to valuable chemicals using renewable energy is expected to revolutionize the manufacture of sustainable "green" chemicals, thereby achieving a closed anthropogenic carbon cycle. However, CO₂ is a thermodynamically stable and kinetically inert molecule that requires high electrical energy to bend the linear O＝C＝O bond by attacking the C atom. To facilitate the ECR with good energy efficiency, it is essential to lower the reaction overpotential as well as maintain a high current density and desirable product selectivity; therefore, the design and development of advanced electrocatalysts are crucial. A plethora of heterogeneous and homogeneous materials has been explored in the ECR. Among these materials, single-atom catalysts (SACs) have been the focus of most extensive research in the context of ECR. A SAC with isolated metal atoms dispersed on a supporting host exhibits a unique electronic structure, well-defined coordination environment, and an extremely high atom utilization maximum; thus, SACs have emerged as promising materials over the last two decades. Single-atom catalysis has covered the periodic table from d-block and ds-block metals to p-block metals. The types of support materials for SACs, ranging from metal oxides to tailored carbon materials, have also expanded. The adsorption strength and catalytic activity of SACs can be effectively tuned by modulating the central metal and local coordination structure of the SACs. In this article, we discuss the progress made to date in the field of single-atom catalysis for promoting ECR. We provide a comprehensive review of state-of-the-art SACs for the ECR in terms of product distribution, selectivity, partial current density, and performance stability. Special attention is paid to the modification of SACs to improve the ECR efficiency. This includes tailoring the coordination of the heteroatom, constructing bimetallic sites, engineering the morphologies and surface defects of supports, and regulating surface functional groups. The correlation of the coordination structure of SACs and metal-support interactions with ECR performance is analyzed. Finally, development opportunities and challenges for the application of SACs in the ECR, especially to form multi-carbon products, are presented.