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DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63536-7
前言
近日，《催化學(xué)報(bào)》在線發(fā)表了上海大學(xué)張久俊院士、趙玉峰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安建筑科技大學(xué)王娟教授在電催化領(lǐng)域的關(guān)于雙原子電催化劑的綜述文章。該工作全面總結(jié)了當(dāng)前雙原子催化劑在制備、表征、應(yīng)用方面的最新進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)。論文第一作者為西安建筑科技大學(xué)與上海大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生張晶，論文共同通訊作者為：王娟，趙玉峰。
背景介紹
發(fā)展可持續(xù)和清潔的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是應(yīng)對(duì)能源短缺和環(huán)境污染挑戰(zhàn)的關(guān)鍵一步，燃料電池、電解電池和金屬空氣電池作為清潔能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換裝置目前得到廣泛應(yīng)用推廣，這些裝置依靠電催化反應(yīng)以及電極材料上發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移過程來轉(zhuǎn)換電能和化學(xué)能。而電催化劑是該類裝置電極材料的核心部件，單原子催化劑 (SACs) 以其暴露的活性位點(diǎn)、高選擇性和最大限度地原子利用率而受到人們的廣泛關(guān)注。然而，隨著單原子表面自由能的增加，粒子在制備和催化過程中的聚集，催化活性位點(diǎn)的降低和催化劑負(fù)荷的相對(duì)較低，嚴(yán)重制約了 SACs 的發(fā)展和應(yīng)用。考慮到 SACs 的以上不足，為了進(jìn)一步增加單原子活性位點(diǎn)的數(shù)量和負(fù)載，雙原子催化劑 (DACs) 作為 SACs 家族成員的擴(kuò)展近年來逐漸興起，且兩種金屬原子（同核/異核）在 DACs 中的協(xié)同作用顯著提高了催化劑的催化活性。目前，DACs 已成功地應(yīng)用于各種電催化系統(tǒng)和電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換器件。本文從 DACs 的制備、表征及潛在應(yīng)用等方面對(duì) DACs 的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。
本文亮點(diǎn)
（1） 基于目前的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地總結(jié)了同核雙原子和異核雙原子催化劑的優(yōu)點(diǎn)。
（2） 結(jié)合當(dāng)前的研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)對(duì)其雙原子催化劑的制備、表征、電催化以及電化學(xué)能源器件方面的應(yīng)用進(jìn)行了詳盡的總結(jié)歸納。
（3） 從技術(shù)和應(yīng)用兩個(gè)方面詳細(xì)展望了雙原子催化劑的機(jī)遇、發(fā)展和挑戰(zhàn)趨勢(shì)。
圖文解析
1、圖文摘要
基于單原子催化劑（SACs），考慮到單個(gè)原子和支撐材料之間的接觸面積小且相互作用相對(duì)較弱，為了進(jìn)一步增加單原子活性位點(diǎn)數(shù)量和負(fù)載量，雙原子催化劑（DACs）作為單原子催化劑擴(kuò)展的家庭成員近年來開始新興。盡管雙原子催化劑方面的研究還處在萌芽階段，但截止目前已報(bào)道的研究工作主要集中在兩個(gè)方面：同核金屬雙原子催化劑和異核金屬雙原子催化劑，而其中大多研究與同核金屬雙原子相關(guān)。本文基于當(dāng)前最新的研究工作對(duì)比了同核/異核DACs的不同優(yōu)勢(shì)。對(duì)于制備得到性能優(yōu)異的DACs，一系列包括原子層沉積法、濕化學(xué)吸附法以及高溫?zé)崽幚矸ǖ仍趦?nèi)的方法被列舉，其中高溫?zé)崽幚矸ㄒ驊?yīng)用廣泛被重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。與此同時(shí)，本文也對(duì)DACs的表征和識(shí)別手段進(jìn)行了重點(diǎn)概括，包含XANES，EXAFS，IR，DFT等。此外，對(duì)于當(dāng)前DACs在電化學(xué)方面的主要應(yīng)用方向也在文中進(jìn)行了詳細(xì)歸納和對(duì)比。主要應(yīng)用以氧還原反應(yīng)（ORR）和二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）為主。
2、DACs在電催化中的應(yīng)用
2.1、ORR
氫氧燃料電池是一種潔凈高效、安全環(huán)保的新能源技術(shù)，燃料電池汽車是我國新能源汽車的重要發(fā)展方向，其中陰極 ORR 是燃料電池的核心催化反應(yīng)之一。當(dāng)前，貴金屬鉑資源的稀缺性和它的高成本以及 ORR 的動(dòng)力學(xué)惰性嚴(yán)重限制了能源器件的進(jìn)一步發(fā)展。為了解決這些問題，將催化劑的活性物種從顆粒降低到原子尺度是一個(gè)有效的策略對(duì)于提高催化劑的性能，以此同時(shí)，在原子尺度上設(shè)計(jì) DACs 既彌補(bǔ)了 SACs 負(fù)載量低的缺陷，還利用雙原子與載體之間的強(qiáng)相互作用提高了活性位點(diǎn)的本質(zhì)活性，另外，金屬雙原子之間的協(xié)同作用對(duì)于 O-O 鍵的斷裂具有很大的輔助優(yōu)勢(shì)。