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吉林大学张伟ChemSusChem综述:单原子催化剂实现增强氧还原反应的结构调控三部曲

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论文信息

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研究内容

氧还原反应(ORR)作为燃料电池和金属-空气电池等能源装置中的关键阴极反应,因其反应步骤复杂、动力学速度缓慢等缺点严重限制了整体性能和可持续发展。因此,筛选和设计高活性、高稳定性的阴极催化剂成为设计的核心目标。近年来,单原子催化剂(SACs)凭借其独特的优势-如原子利用率高、配位环境明确以及量子尺寸效应显著,逐渐成为贵金属催化剂的潜在替代品。然而,建立SACs的精细结构与ORR机理之间的内在联系仍面临挑战,但这一研究对催化剂的优化与应用具有重要意义。


建立SAC的精细结构与催化性能间的内在联系作为当下研究的重要任务,主要集中在中心原子、配位原子以及周围环境原子等三次层次。中心原子作为活性位点,其元素种类、电子结构和配位环境直接决定了催化剂的活性和选择性。配位原子通过与中心原子的相互作用形成稳定的功能单元,其种类、数量及配位方式对催化活性起着关键作用,尤其对于主族金属更为显著。此外,环境原子作为活性单元周围的组成元素,通过影响中心原子和配位原子的相互作用,进一步调控催化剂的活性和选择性。环境原子的几何构型与电子结构均会对催化性能产生重要影响。全面理解和优化这些结构因素,对开发高效、可持续的ORR催化剂具有重要意义。这不仅为提升催化性能提供理论指导,也为其工业化应用奠定技术基础。


吉林大学张伟团队系统综述了SACs的精细结构与ORR机理间的内在关联,深入探讨了不同调控策略如何有效激活活性位点的电子构型。如图1所示,研究框架划分为三个主要层次:中心原子、配位原子和环境原子。

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图1:SACs精细结构的三要素


首先,本综述系统研究了中心原子的化学状态和元素种类对催化性能的影响机理。不同中心原子的电子结构决定了其与O-2p轨道杂化的强弱,进而影响反应活性和稳定性。其次,通过重点分析配位环境(配位原子的原子序数、类型以及配位方式)的重要性去进一步阐述对催化活性的具体调节作用。这一部分特别强调了原子尺度的精确调控如何显著增强催化中心的性能。最后,本综述归纳了环境原子对SACs的关键作用,涵盖载体材料的物理化学性质及其原子结构对催化剂性能的间接调控。环境原子通过与中心原子和配位原子的协同作用,进一步提升了SACs的催化活性与选择性。通过对精细结构的全面解析,我们从根本上追溯了SACs催化活性的起源,并以此为基础推导并统一了优化SACs的关键策略。将SACs的精细结构与ORR机理相结合,不仅为设计和制备高效、稳定的SACs提供了重要的理论指导,还为实际应用提供了坚实的实验依据。


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图2. SAC 的结构优势和精细结构的优化策略。


期刊简介

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ChemSusChem发表以化学为核心、在可持续性研究各个领域具有影响力的科研成果,包括绿色合成与化学、能源储存与转化以及材料升级回收等方向。该期刊涵盖范围广泛,涉及可再生能源与材料、碳捕获与转化、氢能、环境化学、可持续催化以及绿色化学的所有方面。


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