当期目录

2022年 第43卷 第5期    刊出日期：2022-05-10

上一期    下一期

序

单原子材料专辑

王定胜 张佳楠 万家炜

2022, 43(5):  1-4. 

摘要 ( )   PDF (1562KB) ( )  

相关文章 | 多维度评价

目次

高等学校化学学报2022年第43卷第5期封面和目次

2022, 43(5):  1-4. 

摘要 ( )   PDF (10746KB) ( )  

相关文章 | 多维度评价

综合评述

单原子催化剂在电催化还原CO₂领域的应用

金湘元, 张礼兵, 孙晓甫, 韩布兴

2022, 43(5):  20220035.  doi:10.7503/cjcu20220035

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (13736KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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.



单原子催化的关键进展与未来挑战

庄嘉豪, 王定胜

2022, 43(5):  20220043.  doi:10.7503/cjcu20220043

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (30735KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

单原子催化剂(SACs)兼具均相与多相催化剂的双重优势, 表现出最大化的原子利用率、 超高的本征活性与选择性以及易与产物分离的特点, 受到人们的广泛关注. 然而, 由于单个原子较高的表面能以及不稳定性, 设计与制备单原子催化剂仍是一大挑战. 本文综合评述了近年来单原子催化剂的稳定化策略、 高载量催化剂的制备方法以及批量制备技术等方面的关键研究进展, 并简要分析了单原子催化剂未来发展所面临的问题与挑战, 最后对单原子催化的发展方向进行了展望.



应用于氧还原反应的非贵金属原子分散级金属-氮-碳催化剂的设计

徐斯然, 阴恒铂, 薛冬萍, 夏会聪, 赵舒琰, 闫文付, 木士春, 张佳楠

2022, 43(5):  20220028.  doi:10.7503/cjcu20220028

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (26130KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

为了进一步实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量转化技术的大规模开发和应用, 提高催化剂的成本效益是先决条件. 目前, 与铂族等贵金属基催化剂相比, 原子分散的金属-氮-碳(M-N-C)催化剂也在提高活性位点密度、 原子利用率和催化活性等方面表现出巨大的潜力, 是最有望代替铂基催化剂的首选材料. 在原子分散M-N-C催化剂的制备过程中, 获得活性位点均匀分散且结构体系最优化是挑战性问题. 基于此, 我们重点研究了各种有利于原子分散的M-N-C催化剂的制备方法, 以及不同催化剂中原子的化学环境调控对催化位点的影响. 本文从M-N-C催化剂的合成与表征、 反应机理、 密度泛函理论计算等方面进行了深入的探讨, 着重讨论了双金属位点、 原子簇结构和杂原子对催化位点的化学环境调控. 最后, 提出了原子分散M-N-C催化剂大规模应用存在的问题及进一步优化的发展方向.



异原子配位结构碳基单原子电催化剂结构与性能相关性的研究进展

夏天, 万家炜, 于然波

2022, 43(5):  20220162.  doi:10.7503/cjcu20220162

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (13671KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

单原子催化剂是一类以相互孤立的单个金属原子作为催化活性中心的、 具有高原子经济性及高活性的负载型催化剂, 被广泛应用于能源电催化领域. 近年来, 通过使用两种或两种以上原子与活性中心金属原子配位, 构建具有异原子配位结构的单原子材料， 展现了优异的电催化性能. 研究发现, 这种不对称的配位结构有效调控了中心金属原子的电子结构, 优化了催化反应的吸附和脱附能量, 提高了电催化的性能. 本文综合评述了具有异原子配位结构碳基单原子电催化剂的合成策略、 表征技术与方法, 以及在前沿能源电催化应用中的催化剂性能与结构之间的构效关系, 并展望了异原子配位结构碳基单原子电催化剂的研究前景.



单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控

谷雨, 奚宝娟, 李江潇, 熊胜林

2022, 43(5):  20220036.  doi:10.7503/cjcu20220036

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (5057KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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.



石墨炔零价金属原子催化剂的合成及应用

陈朝阳, 薛玉瑞, 李玉良

2022, 43(5):  20220063.  doi:10.7503/cjcu20220063

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3062KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

原子催化剂是零价金属原子锚定于载体上的一种新型催化剂, 具有原子利用率高、 选择性高以及反应活性和稳定性高等优点, 一直是催化领域的研究前沿, 在催化和能量转换领域具有广阔的发展前景. 石墨炔与金属原子之间独特的不完全电荷转移性质实现了零价过渡金属原子的稳定锚定, 解决了传统单原子催化剂易迁移和聚集的问题, 被认为是新一代催化剂. 本综述从石墨炔原子催化剂的结构性质、 表征以及应用等方面出发, 综合评述了相关领域的最新研究成果, 介绍了石墨炔原子催化剂在电催化固氮制氨、 产氢、 全水解和CO₂固定等方面的应用和发展前景, 为实现新概念高性能催化材料的设计合成提供了研究思路.



分子筛限域单原子金属催化剂的研究进展

李加富, 张凯, 王宁, 孙启明

2022, 43(5):  20220032.  doi:10.7503/cjcu20220032

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (13025KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

分子筛由于具有规则的微孔孔道结构、 较大的表面积、 优异的(水)热稳定性, 被认为是限域合成超小尺寸金属物种的理想载体. 近年来, 分子筛限域单原子金属催化剂由于超高的金属分散度、 接近100%的金属利用率以及独特的电子结构, 被广泛地应用于重要的催化反应和气体吸附分离过程. 本文系统地总结了近年来分子筛限域不同类型单原子金属催化剂的合成策略, 以及其在多相催化和气体分离等领域的研究进展. 最后, 提出了分子筛限域单原子金属催化剂在合成与表征方面存在的挑战和未来的发展方向.



石墨炔原子催化剂的崭新道路:基于自验证机器学习方法的筛选策略

黄汉浩, 卢湫阳, 孙明子, 黄勃龙

2022, 43(5):  20220042.  doi:10.7503/cjcu20220042

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (14148KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

近年来, 原子催化剂(ACs)引起了广泛的研究关注. 目前该领域的长足发展受限于贵金属的使用和单原子催化剂(SACs)的性能有限. 本文总结了利用密度泛函理论(DFT)和机器学习(ML)方法筛选高效的基于石墨炔(GDY)的原子催化剂的工作. 研究表明, Pd, Co, Pt和Hg可以形成稳定的零价过渡金属-石墨炔组合(TM-GDY), 而镧系-过渡金属的双原子催化剂(Ln-TM DAC)组合通过f-d轨道耦合作用可以获得有效的催化性能提升. 进一步分析表明, 主族元素与过渡金属和镧系金属的结合可以通过p轨道耦合保持高电活性, 从而构成高度稳定的GDY-DAC系统, 机器学习算法也揭示了s,p轨道的作用. 此外, 理论算法技术在筛选催化水分解析氢反应(HER)的高效组合上也表现出了优越性, 创新性地预测了石墨炔-原子催化剂在实际催化反应中的潜能. 本综合评述可为未来设计新型原子催化剂提供新的思路与策略.



单原子催化剂在光催化二氧化碳还原中的研究进展

陶雨, 欧鸿辉, 雷永鹏, 熊禹

2022, 43(5):  20220143.  doi:10.7503/cjcu20220143

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (10632KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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.



单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展

陈长利, 米万良, 李煜璟

2022, 43(5):  20220065.  doi:10.7503/cjcu20220065

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (14619KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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.



自支撑单原子膜电极在能源电催化中的应用

吴俊, 何观朝, 费慧龙

2022, 43(5):  20220051.  doi:10.7503/cjcu20220051

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (22566KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

单原子催化剂的催化活性高, 稳定性强, 原子利用率高, 在能源电催化领域已被广泛研究. 然而, 粉末状(颗粒状)单原子催化材料存在工作电极制备过程复杂、 黏结剂添加降低导电性且占据催化材料的体积、 活性位点易被包埋等问题, 在作为电极材料催化能源转化过程时, 载量通常小于1 mg/cm², 反应电流密度不高于100 mA/cm². 与单原子催化剂相比, 自支撑单原子膜电极不仅具有单原子催化剂的诸多优势, 同时展现出整体式电极的特点, 例如无需添加黏结剂、 导电性好、 单原子活性位点暴露率高、 形貌与孔结构可调控等, 在大电流电催化反应、 高能量高功率密度电池等领域拥有应用前景. 本文综合评述了面向能源电催化应用的自支撑单原子膜电极的研究进展, 讨论了自支撑单原子膜电极的优势, 总结了自支撑单原子膜电极的合成方法, 包括自支撑基底上原位制备法、 静电纺丝法、 自组装法、 化学气相沉积与固相扩散法等, 介绍了其在析氢反应、 析氧反应、 电化学制过氧化氢反应、 锌空电池、 二氧化碳还原反应及锂硫电池中的应用, 并对该类电极的发展方向进行了展望.



单原子催化剂在锂硫电池中的研究进展

尹肖菊, 孙逊, 赵程浩, 姜波, 赵晨阳, 张乃庆

2022, 43(5):  20220076.  doi:10.7503/cjcu20220076

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (26445KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

锂硫电池由于具有能量密度高、 成本低等突出特点, 已经成为下一代高能量密度电化学储能体系的重要发展方向之一. 但锂硫电池的发展仍然存在硫利用率低、 循环寿命短及倍率性能差等亟待解决的关键问题. 单原子催化剂具有高的原子利用率和原子级尺度的结构可调变性等突出特点, 在锂硫电池研究领域受到了广泛的关注. 本文从正极、 负极、 隔膜/中间层3个方面总结了单原子催化剂在锂硫电池中的最新研究进展. 最后, 还对单原子催化剂在锂硫电池中未来的研究发展方向以及需解决的关键科学和技术问题进行了展望, 以期推动单原子催化材料在锂硫电池中的进一步广泛应用.



单原子材料类酶催化及生物医学应用研究进展

沙蒙, 许维庆, 吴志超, 顾文玲, 朱成周

2022, 43(5):  20220077.  doi:10.7503/cjcu20220077

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (14879KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

纳米酶因其经济、 稳定、 性质可调和可循环利用等诸多优势, 成功地克服了天然酶在实际应用中的不足. 单原子材料的出现使得对纳米酶的研究迈入原子水平, 其较高的原子利用率、 独特的配位环境和较强的金属-载体相互作用为揭示纳米酶构效关系及调控类酶活性提供了可能. 本文总结了近年来单原子材料类酶催化的研究进展, 重点讨论了单原子材料类酶活性的调控策略和催化机理, 概述了单原子类酶材料在癌症治疗、 抗氧化治疗、 抗菌以及生物传感等方面的应用, 并对单原子类酶材料的发展前景进行了展望.



单原子催化剂在电化学中的研究进展

张宏伟, 陈雯, 赵美淇, 马超, 韩云虎

2022, 43(5):  20220129.  doi:10.7503/cjcu20220129

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3033KB) ( )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

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.