Wiley能源催化领域最新进展 | 单原子催化剂、双原子铁催化剂、FeN4位点、中空层状双氢氧化物、异质结界面调节

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单原子催化剂的结构调控和支撑偶联效应

单原子催化剂（SACs）集成了均相和非均相催化剂的优点，并在近些年获得了广泛的关注。可通过各种不饱和化学位点或空间限制作用，将SACs上单独的金属原子稳定在载体上，从而实现最大的原子利用效率。除了开发制备高载量和高纯度SACs的策略外，该领域的另一个关键挑战在于精确调控催化活性单金属位点的几何和电子结构，从而使该催化剂具有更好的反应活性、选择性和稳定性。在这篇综述中，中国科学技术大学宋礼课题组从局域结构调节以及金属物种和载体之间协同偶联作用的角度，总结了SACs在非均相催化应用上的最新进展。通过先进的表征和理论研究，着重从配位环境、价态和金属-载体之间的相互作用，文章特别强调了催化结构与性能之间的关系。还指出了在实际条件下，利用原位或操作表征技术来追踪SACs结构演变的重要性。最后，作者对存在的挑战和机遇进行了展望，以合理设计出更多具有高活性和独特化学选择性的SACs。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202001482

双原子铁催化剂实现高效OER

理解金属原子的热聚集行为对于精确合成负载的金属团簇非常重要。在此，日本产业技术综合研究所（AIST）-京都大学能源化学材料开放创新实验室徐强课题组将孔道内封装了三核Fe III 2 Fe II络合物（表示为Fe 3）的金属-有机框架进行衍生处理，制备了定义明确的氮-掺杂碳层，以作为稳定铁纳米团簇的理想载体。通过合成同构的三核-络合物前驱体（Fe 2 Zn/Fe 2 Co），将其他金属（II）离子（例如Zn II/Co II）进行原子级地取代Fe II，即“异质原子调节剂方法”，在碳层内优化的金属-氮分子中形成了稳定的铁-二聚体簇，从而抑制了铁原子向纳米团簇的聚集。此外，通过实验证明了作为金属-金属协同作用位点的负载铁二聚体可有效进行氧气的析出反应。该发现提供了原子尺度上的见识，可指导未来超小型金属簇（具有出色催化能力）的设计。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202007221

孤立的FeN₄位点有效还原CO₂

孤立金属位点的构建代表着一种设计电催化剂的有力策略，可实现二氧化碳（CO₂）的有效电化学转化。在此，新加坡南洋理工大学王昕课题组通过简单的吸附法，合理制备了Fe-掺杂的石墨碳氮化物；并将其作为模板，通过受限的热解策略，构造了孤立的FeN₄位点，避免了合成过程中金属原子的团聚，从而提供了丰富的活性位点以进行CO₂还原反应。孤立的FeN₄位点降低了CO₂还原过程中关键中间体的能垒，从而提高了CO产物的选择性，法拉第效率高达93%。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001545

中空Rh掺杂CoFe层状双氢氧化物高效分解水

探索用于分解水的高活性、廉价双功能电催化剂被认为是发展氢能技术的先决条件之一。在此，复旦大学叶明新/沈剑锋团队提出了一种有效的同时刻蚀-掺杂沉降平衡（EDSE）策略，以设计和制备中空Rh-掺杂的CoFe-层状双氢氧化物，用于全解水。具有优化组成和典型中空结构的电催化剂可加速电化学反应：对于氢气析出反应（HER），在28 mV的过电势下（188 mV时为600 mA cm^-2），可达到10 mA cm^-2的电流密度；对于氧气析出反应（OER），在245 mV时为100 mA cm^-2。该电催化剂所组装电解槽总的全解水电压仅为1.46 V，远低于由Pt/C和RuO₂构造的商用电解槽以及大多数报道的双功能电催化剂。此外，由Rh掺杂引入的Fe空位和典型的中空结构被证明可以优化整个HER和OER过程。EDSE将掺杂与模板导向的中空结构联系在一起，为开发用于全解水的双功能电催化剂指明了一个新的方向。同时，该策略在其他催化领域中也是较为实用的。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003556

异质结构的界面调节可高效实现HER

开发高效、资源丰富的MoS₂-基氢气析出反应（HER）电催化剂十分重要但也存在挑战。这主要是由于其在碱性介质的动力学缓慢所致。在此，昆明理工大学Jue Hu团队和香港理工大学黄勃龙团队、香港城市大学Michael K. H. Leung团队合作，提出了一种通过金属氧化物来调节界面电子结构的策略，以制备高性能的MoS₂-基HER电催化剂。所有的异质结构催化剂都显着改善了HER的电催化活性，证明了金属氧化物改性在促进碱性介质中HER机理的积极作用。所获得的MoS₂/Ni₂O₃H催化剂在10 mA cm^-2下表现出84 mV低的过电势，在1 M KOH溶液中具有1.5 Ω小的电荷转移阻抗。在200 mV过电势下的电流密度（217 mA cm^-2）分别比商用Pt/C和纯MoS₂高出约2倍和24倍。此外，这些MoS₂/金属氧化物异质结构催化剂在苛刻的计时电位测试中显示出出色的长期稳定性。理论计算揭示了不同过渡氧化物中3d-谱带的灵敏变化，其中显然激活了Ni₂O₃H的Ni-3d，以实现HER中的快速电子转移。电子性质和能量反应趋势都证实了MoS₂/Ni₂O₃H在碱性介质中能够高效实现HER。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202002212

（本期作者：毛毛的维）

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