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近期催化领域高被引HER/OER/ORR & CO氧化/CO2还原汇总(限国内)

近期催化领域高被引HER/OER/ORR & CO氧化/CO2还原汇总(限国内)

第一部分 HER/OER/ORR

光催化、电催化及光电催化分解水是利用光能和(或)电能驱动水分解半反应甚至全反应的绿色途径。以HER/OER/ORR为代表的催化反应在大规模制备高纯氢气、燃料电池、金属空气电池等领域起到举足轻重的关键作用。除了二元及三元合金、硫化物、碳化物等经典的传统催化剂,近年来又涌现了一批如磷化物、双金属氧化物、C3N4、MOF等明星催化剂。通过研究人员的不懈努力,不同种类的高本征活性催化剂不断推陈出新,在实际工业条件下的催化活性也逐步攀升,为HER/OER/ORR的进一步推广创造了有利条件。

第二部分 CO氧化 & CO2还原

CO2还原反应不仅有望通过降低温室气体中的CO2含量缓解日益严重的气候危机,还能将大气中广泛存在的CO2分子转化为CO、甲醇、乙醇等高附加值化学燃料,满足人类日益增长的能源需求,同时降低人类对传统化石能源的依赖。近年来,研究人员聚焦于构筑本征活性高的CO2还原催化剂,尤其是将单原子催化剂负载在氧化物基底上构成复合催化剂体系。此外,CO2还原及其逆反应机理的逐步明晰也为CO2还原催化剂的设计提供了指导思路。通过调控不同反应途径及催化产物的选择性,有望在实际工业条件下变废为宝,通过控制反应条件合成预期的高附加值化学品。

 

近期催化领域高被引HER/OER/ORR & CO氧化/CO2还原汇总(限国内)

本次合集我们为各位读者呈上了15HER/OER/ORR4CO氧化/CO2还原的高被引工作。每篇文章之后附有简短评述及原文链接。本文仅统计了通讯作者属于国内单位的论文。名单中仅列出国内通讯作者姓名。若作者属于多个单位,仅列出最靠前的国内单位。


第一部分 HER/OER/ORR


1 Angew. Chem. Int. Ed.:利用蒸气重整策略实现氮化碳的剥层并用于光催化分解水反应

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1 用蒸气重整方法将大块氮化碳剥离为层状材料

福州大学王心晨教授(通讯作者)等采用蒸气重整的策略,用一步反应实现了碳/氮的蒸汽重整反应,并同时实现了聚合物氮化碳的剥层。由此得到了仅由几层原子构成的氮化碳纳米片,其表面含有丰富的碳空位。这些特征使氮化碳纳米片表面能提供更多活性位点,促进了光生电子空穴的分离,延长了光生载流子的寿命,提高了氮化碳纳米片光催化分解水制氢的效率。在光催化分解水制氢反应中,由该方法制得的氮化碳纳米片在波长为405 nm的可见光照射下的表观量子产率为11.3%。采用气相重整策略实现剥层的方法能拓展到更多种类的碳基二维材料。该方法为探索低维半导体材料独特的物理化学特性提供了绿色、简便的制备手段。

文献链接:A Facile Steam Reforming Strategy to Delaminate Layered Carbon Nitride Semiconductors for Photoredox CatalysisAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201700286

2 ChemSusChem氮化碳纳米片负载CoPPt纳米颗粒用于可见光催化全分解水反应

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2 Pt–CoP/g-C3N4体系在可见光照射下的全分解水反应

光催化分解水反应是利用太阳光能进行人工光合成的绿色途径之一。福州大学王心晨教授(通讯作者)等首次在g-C3N4上负载CoPPt纳米颗粒作为共催化剂,在可见光条件下实现了全分解水反应。在Pt–CoP/g-C3N4体系中,CoP纳米颗粒的引入不仅提升了光生电子空穴的分离效率,还显著加快了析氧反应;而Pt纳米颗粒的引入加快了析氢反应,使Pt–CoP/g-C3N4体系在可见光条件下能实现全分解水反应。g-C3N4CoPPt之间的协同效应是光催化分解水反应效率提升的关键。

文献链接:Decorating CoP and Pt nanoparticles on graphitic carbon nitride nanosheets to promote overall water splitting by conjugated polymersChemSusChem,2017, DOI:10.1002/cssc.201600850

3 ACS Appl. Mater. Interfaces:仿生的柠檬酸钴MOF催化剂用于电催化析氧反应

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3 柠檬酸钴MOF的分子结构及其在碱性电解液中的电催化析氧活性

西华师范大学艾伦弘教授(通讯作者)团队首次报导了基于柠檬酸钴MOF的析氧电催化剂。该催化剂在碱性介质中达到10 mA/cm2的电流密度仅需408 mV的过电位,其电催化析氧活性超过了此前报导的其他MOFs电催化剂及Co3O4。该体系优异的电催化析氧性能得益于MOF的开放孔结构、原位生成的高价态含钴活性物种及Co4O4立方烷结构。该工作为制备高活性MOF电催化剂提供了宝贵的经验和启示。

文献链接:Bioinspired Cobalt–Citrate Metal–Organic Framework as an Efficient Electrocatalyst for Water OxidationACS Appl. Mater. Interfaces,2017, DOI:10.1021/acsami.6b16534

4 ACS Catalysis调控三元合金电子结构,提高三元合金@石墨烯核壳结构电催化全分解水的活性

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4(上)FeCoNi@石墨烯核壳结构示意图;(下)FeCo- FeCoNi电催化分解水的活性测试

中国科学技术大学陈乾旺教授(通讯作者)通过MOF热分解的方法制备了由石墨烯包覆的过渡金属及其二元、三元合金。随着合金组元的增加及各元素比例的变化,过渡金属或合金与石墨烯之间的电荷转移情况随之变化,该方法能有效调控三元合金@石墨烯核壳结构的催化活性。经体系优化后,FeCoFeCoNi1.0 M KOH溶液中分别表现出优异的HEROER活性,达到10 mA cm–2的电流密度分别需要149 mV288 mV的过电位。将FeCo-FeCoNi组装为用于全分解水反应的电解池,其性能接近于Pt-RuO2,并在测试条件下有较高的稳定性。

文献链接:Tuning Electronic Structures of Nonprecious Ternary Alloys Encapsulated in Graphene Layers for Optimizing Overall Water Splitting ActivityACS Catal.,2017, DOI:10.1021/acscatal.6b02573

5Angew. Chem.:利用干法剥层得到富含空位的层状双氢氧化物纳米片用于高效电催化析氧反应

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5Ar等离子体刻蚀方法得到层状双氢氧化物纳米片

层状双氢氧化物(LDHs)具有优异的电催化析氧活性,但其活性仍受到其横向尺寸和厚度的限制。为了进一步提升层状双氢氧化物的电催化析氧活性,湖南大学王双印教授(通讯作者)等采用Ar等离子体刻蚀技术实现了层状双氢氧化物的干法剥层,得到的层状双氢氧化物纳米片表面富含大量空位(包括OFeCo原子脱离形成的空位)。这些点缺陷增强了层状双氢氧化物的本征催化活性,而干法剥层得到的超薄纳米片结构为电催化析氧反应提供了丰富的活性位点,二者共同提高了层状双氢氧化物的电催化析氧活性。

文献链接:Layered Double Hydroxide Nanosheets with Multiple Vacancies Obtained by Dry Exfoliation as Highly Efficient Oxygen Evolution ElectrocatalystsAngew. Chem.,2017, DOI:10.1002/ange.201701477

6 Chem. Sci.:厚度小于1.1 nm的超薄多孔CoP纳米片用于高效电催化析氢反应

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6 超薄多孔CoP纳米片的电催化析氢活性

把非层状材料制备成多孔超薄纳米片并使其暴露高活性晶面具有较大的难度。天津大学张兵教授(通讯作者)课题组采取化学转化策略,从Co3O4前驱体出发,经低温磷化处理得到厚度不超过1.1 nm并在其表面暴露出高活性{200}晶面的多孔超薄CoP纳米片。该CoP纳米片在0.5 M H2SO4中具有优异的电催化析氢性能,达到10 mA/cm2100 mA/cm2分别仅需要56 mV131 mV的过电位,其塔菲尔斜率仅为44 mV/dec,并有较好的电化学稳定性。当过电位为100 mV时,该CoP纳米片能达到151 A/g的电流密度,其质量比活性是同等条件下CoP纳米颗粒的80倍。研究表明,该体系优异的电催化析氢活性来自多孔超薄的二维结构、大量暴露的{200}晶面、丰富的表面活性位点、高的活性位点利用率、CoP的金属性、适宜的结构有序度等因素。这些因素有利于电极溶液界面的液相传质过程和电荷转移过程,有效提高了电催化析氢性能。这项工作采取的化学转化过程还可以用于制备其他非层状材料的二维结构。

文献链接:Sub-1.1 nm ultrathin porous CoP nanosheets with dominant reactive {200} facets: a high mass activity and efficient electrocatalyst for the hydrogen evolution reactionChem. Sci.,2017, DOI:10.1039/C6SC05687C

7 Nature Communications界面调控策略提高铂/硫化镍纳米线的电催化析氢性能

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7 /硫化镍纳米线的形貌表征及元素分布

苏州大学黄小青教授北京大学郭少军教授加州州立大学卢刚教授(共同通讯作者)等采取界面调控的策略,对组分高度分离的铂镍纳米线进行硫化处理,得到铂/硫化镍纳米线。该体系富含大量铂/硫化镍界面,在碱性条件下的电催化析氢性能远优于商业Pt/C。在1 M KOH溶液中,组分为Pt3Ni/NiS的体系在70 mV的过电位下能达到37.2 mA/cm2的电流密度,该电流密度是同等条件下Pt/C9.7倍。该Pt3Ni/NiS异质结的形成也有利于提高稳定性。DFT计算表明,Pt3Ni/NiS纳米线中的NiS有利于水分子的吸附和解离,而Pt3Ni有利于氢的放电脱附。Pt3NiNiS的协同效应有利于Pt3Ni/NiS纳米线在碱性介质中的析氢反应,为多组分催化剂的界面调控提供了范例。

文献链接:Precise tuning in platinum-nickel/nickel sulfide interface nanowires for synergistic hydrogen evolution catalysisNat. Commun.,2017, DOI:10.1038/ncomms14580

8 Chem. Sci.:多孔碳包覆的Ni/Mo2C纳米棒用于电催化分解水

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8 Ni/Mo2C-PC纳米棒的制备过程及形貌表征

中国科学技术大学俞书宏教授(通讯作者)团队通过热处理的方法将聚多巴胺包覆的钼酸镍纳米棒转化为多孔碳包覆的Ni/Mo2C纳米棒(记为Ni/Mo2C-PC)。该方法得到的Ni/Mo2C-PC在碱性溶液中对HEROER有优异的电催化性能。在1 M KOH溶液中,Ni/Mo2C-PC电催化HEROER的起始过电位分别为60 mV270 mV,达到10 mA/cm2的电流密度分别需要179 mV368 mV的过电位。该水平超过了大多数已报导的镍基催化剂和钼基催化剂。Ni/Mo2C-PC优异的电催化性能来自NiMo2C之间的电荷转移。由于电子从Ni转移到Mo2C,使Ni的化合价升高而Mo的化合价降低,这调控了Ni/Mo2C-PC中金属活性中心的本征活性。将Ni/Mo2C-PC作为双功能催化剂组装成电解池,达到10 mA/cm2的电流密度需要外加1.66 V的电压。

文献链接:A one-dimensional porous carbon-supported Ni/Mo2C dual catalyst for efficient water splittingChem. Sci.,2017, DOI: 10.1039/C6SC03356C

9 Applied Catalysis B:鱼鳞结构的g-C3N4纳米片用于高效光催化分解水制氢:不同寻常的电荷转移特性

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图9 (左)鱼鳞结构g-C3N4纳米片的合成路线;(右)鱼鳞结构g-C3N4纳米片中的光生电子转移路径

西安交通大学杨贵东副教授(共同通讯作者)等用溶剂热法制备了开放鱼鳞结构的g-C3N4纳米片并将其用于光催化分解水制氢。特殊的鱼鳞结构使g-C3N4纳米片具有不同寻常的电子转移特性。在鱼鳞结构的g-C3N4纳米片中,光生电子倾向于沿着鱼鳞的曲面移动到鱼鳞边缘,提高了光生电子空穴的分离效率。经优化,该体系的产氢速率高达1316.35 mol h−1g−1,分别是块体g-C3N4和剥层g-C3N4纳米片的20倍和2.93倍。该体系在测试条件下有较高的稳定性。这项工作为设计有利于光生载流子分离的三维拓扑结构提供了启示。

文献链接:Fish-scale structured gC3N4 nanosheet with unusual spatial electron transfer property for high-efficiency photocatalytic hydrogen evolutionApplied Catalysis B: Environmental,2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.03.066

10 Angew. Chem. Int. Ed.不含Ni、Co的空心Fe-V复合球用于高效电催化析氧反应

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图10 空心Fe-V复合球的制备及表征

传统的过渡金属基析氧电催化剂往往含有价格昂贵的Ni、Co,不利于大规模推广应用。为解决这一问题,武汉理工大学余家国教授大连理工大学孙立成教授(共同通讯作者)合成了不含Ni、Co的空心Fe-V复合球结构。该Fe-V复合球在碱性介质中有优异的电催化析氧性能,达到10 mA cm−2的电流密度仅需390 mV的过电位,其塔菲尔斜率仅为36.7 mV dec−1,并有较高的稳定性。这项工作提高了铁基电催化剂的电催化析氧活性,有利于低成本电催化剂的大规模推广。

文献链接:Hollow Iron–Vanadium Composite Spheres: A Highly Efficient IronBased Water Oxidation Electrocatalyst without the Need for Nickel or CobaltAngew. Chem. Int. Ed.,2017, DOI: 10.1002/anie.201611863

11 Adv. Funct. Mater.:从含Fe/Co的聚吡咯水凝胶,得到自供的三功能催化

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图11 FeTCPP与聚吡咯形成的水凝胶

中国科学技术大学徐航勋教授(通讯作者)将聚吡咯水凝胶与高活性的Fe/Co–N–C结合,得到Fe/Co的聚吡咯水凝胶,再经过热分解得到PPy/FeTCPP/Co复合催化剂。PPy/FeTCPP/CoHEROERORR均有较高的电催化活性,并超了以往报导的大多数三功能催化。将PPy/FeTCPP/Co用作锌空电池正极的活性材料,即可驱动PPy/FeTCPP/Co同时作为阴阳极活性材料的全分解水解池。

文献链接:Novel Iron/CobaltContaining Polypyrrole HydrogelDerived Trifunctional Electrocatalyst for SelfPowered Overall Water SplittingACS Catal.,2017, DOI:10.1002/adfm.201606497

12 JACS:碳环C3N4米片构成的平面内异质结用于光催化全分解水反应

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12 碳环C3N4米片构成的平面内异质结

中国科学技术大学韦世强教授刘庆华副研究员(共同通讯作者)等将碳原子环与C3N4共同构成平面内的异质结,加快了碳环C3N4米片中的光生子-空穴分离,提高了碳环C3N4米片光催化分解水的效率。此外,碳环C3N4米片π共轭体系有利于光生电子快速移,增大了光生流子的度,将光生流子的寿命延长为g- C3N4材料中的10倍。在全太阳光辐照下,该碳环C3N4米片对纯水的光催化效率高达371 μmol g–1h–1,当波长为420 nm量子产率为5%

文献链接:Fast Photoelectron Transfer in (Cring)–C3N4 Plane Heterostructural Nanosheets for Overall Water SplittingJ. Am. Chem. Soc.,2017, DOI:10.1021/jacs.6b11878

13 Carbon:氮掺杂碳纳米管@多孔碳@Ag纳米颗粒用于电催化ORR

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图13 氮掺杂碳纳米管@多孔碳@Ag纳米颗粒的合成路线

Ag/C复合催化剂取代Pt催化剂能降低相关储能设备的成本。中国科学院化学研究所沈建权研究员韦丽玲研究员(共同通讯作者)等在前驱体的螯合效应下通过一步高温碳化制得氮掺杂碳纳米管@多孔碳@Ag纳米颗粒复合催化剂。在高温碳化过程中,Ag+由于络合作用形成均匀分散的Ag纳米颗粒,并以该过程产生的气泡作为自模板,形成了分级多孔碳结构,并发生了自掺杂。该复合催化剂在碱性条件下有较高的ORR电催化活性,并有优异的稳定性和抗中毒性能,其综合性能优于Pt/C,为ORR电催化剂提供了新选择。

文献链接:Template-free and one-pot synthesis of N-doped hollow carbon tube@ hierarchically porous carbon supporting homogeneous AgNPs for robust oxygen reduction catalystCarbon,2017, DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.10.083

14 Nano Lett.:碱性条件下的电化学活化增强Co2P中性条件下的电催化析氧活性

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图14 碱性条件下的电化学氧化活化对Co2P纳米颗粒电催化析氢活性(左)及形貌(右)的影响

中国科学技术大学吴长征教授(通讯作者)团队将Co2P纳米颗粒在强碱性溶液中化学氧化活化,再在中性溶液中测试其电催化析氧性能,发现与直接在中性溶液进行电化学活化相比,碱性溶液中的电化学活化使Co2P的电催化析氧活性提高了2倍,达到10 mA cm–2的电流密度所需的过电位减小了100 mV。研究发现,强碱性溶液中的电化学氧化活化处理使Co2P中的Co–Co键断裂,并表面生成含氧活性物种,增体系在中性条件下的电催化析氧活性。该策略普遍适用于过渡金属磷化物。

文献链接:Promoting active species generation by electrochemical activation in alkaline media for efficient electrocatalytic oxygen evolution in neutral mediaNano Lett.,2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04732)

15 ACS Sustainable Chem. Eng.:由MOF热分解得到的Ni纳米颗粒@石墨烯核壳结构用于碱性条件下的电催化全分解水

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15 Ni纳米颗粒@石墨烯核壳结构电催化全分解水反应

西华师范大学艾伦弘教授蒋静研究员(共同通讯作者)等将含Ni的MOF在惰性气氛下进行热分解,得到超薄石墨烯包覆的Ni纳米颗粒,即Ni纳米颗粒@石墨烯核壳结构。该Ni纳米颗粒@石墨烯核壳结构在碱性溶液中HER和OER高的催化活性,在1 M KOH溶液中达到10 mA/cm2流密度分别仅需240 mV和370 mV的过电位。该体系优异的双功能催化活性得益于金属Ni核提供的表面活性位点和超薄石墨壳层金属Ni核的保作用。

文献链接:Ultrathin Graphene Layers Encapsulating Nickel Nanoparticles Derived Metal–Organic Frameworks for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen and Oxygen Evolution ReactionsACS Sustainable Chem. Eng.,2017, DOI: 10.1021/acssuschemeng.7b00153)


第二部分 CO氧化与CO2还原


1 JACS:调控Cu/SnO2核壳结构,提高将CO2电化学还原为CO的选择性

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1 不同电位下电化学还原生成COH2、甲酸盐的法拉第效率

华中科技大学李箐教授(通讯作者)通过可控合成Cu/SnO2核壳结构并调节SnO2壳层的厚度,提高了将CO2电化学还原为CO的选择性。研究表明,当SnO2壳层较厚(1.8 nm)时,Cu/SnO2核壳结构表现出与SnO2相似的产物选择性,主要生成甲酸盐;当SnO2壳层较薄(0.8 nm)时,Cu/SnO2核壳结构表现出与Cu相似的产物选择性,主要生成CO,在-0.7 V(相对于可逆氢电极)电位下的法拉第效率高达93%。理论计算表明,厚度为0.8 nmSnO2壳层与痕量的Cu形成合金,这使SnO2晶格受到单向压缩,导致Cu/SnO2核壳结构在电化学还原条件下更倾向于生成CO。这项工作表明,通过调控核壳结构的几何参数及应力应变状态能有效调整CO2电化学还原产物的选择性,为设计并制备高选择性CO2还原催化剂提供了启示。

文献链接:Tuning Sn-Catalysis for Electrochemical Reduction of CO2to CO via the Core/Shell Cu/SnO2StructureJ. Am. Chem. Soc.,2017, DOI:10.1021/jacs.7b00261

2 JACSMOFs负载的Cu/ZnOx纳米颗粒用于CO2催化加氢制甲醇

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2 纳米颗粒@MOFs复合催化剂催化CO2加氢反应

厦门大学汪骋教授林文斌教授(共同通讯作者)UiO-bpy MOFs中的bpyZr63-O)43-OH)4位点锚定超细Cu/ZnOx纳米颗粒,有效防止了CO2催化加氢过程中CuZnOx的相分离及纳米颗粒的团聚。该Cu/ZnOx@MOF体系催化CO2催化加氢制甲醇的反应速率为 2.59 gMeOHkgCu−1h−1,生成甲醇的选择性接近100%,并能稳定工作100 h以上。该工作表明,通过精细调控纳米颗粒@MOFs复合催化剂的结构能有效提高催化反应的活性及选择性。

文献链接:Confinement of Ultrasmall Cu/ZnO x Nanoparticles in Metal–Organic Frameworks for Selective Methanol Synthesis from Catalytic Hydrogenation of CO2J. Am. Chem. Soc.,2017, DOI:10.1021/jacs.7b00058

3 ACS Catal.CeO2负载的单原子Pt催化剂用于CO氧化:水分子调控的Mars–Van Krevelen机理

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3 Pt1/CeO2催化氧化CO

此前,于水溶液中的CO氧化反,传统观点是水分子并不直接参与CO2的形成。在这篇文章中,中国科学技术大学路军岭教授李微雪教授(共同通讯作者)等提供的实验证覆了知。工作用同位素示踪方法研究了Pt1/CeO2催化参与的CO氧化反应,为水分子调控的Mars–Van Krevelen机理提供了证据。该工作提出,水分子直接参与了50%的CO2形成。这是因为CO容易与水解离出的羟基反应得到羧基中间体,随后羧基中间体与CeO2晶格表面的羟基作用而脱氢,同时产生CO2和水。这表明水参与了CO催化氧化过程,为异相催化研究提出了新见解。

文献链接:Water-mediated Mars–Van Krevelen mechanism for CO oxidation on ceria-supported single-atom Pt1 catalystACS Catal.,2017, DOI:10.1021/acscatal.6b02685

4 JACS:以CeO2负载的单原子Au催化剂为例,用动态单原子催化机理指导氧化物负载单原子催化剂的合理设计

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4 单原子Au的动态形成过程

清华大学李隽教授(通讯作者)课题组以CeO2负载的单原子Au作为单原子催化剂模型,构建基于化学势的热力学模型,结合密度泛函理论、分子动力学模拟以及蒙特卡洛动力学分析,对单原子催化剂的催化活性及稳定性进行了系统研究。研究发现,在理想条件下,载体种类、缺陷、反应气氛、温度、压力以及纳米粒子的尺寸等因素都能通过影响Au的化学势显著影响单原子催化剂的催化活性及稳定性。在实验条件下,CeO2位的Au原子比平台上的Au原子更稳定,并CO氧化有更高的催化活性。实验观测到,即使CeO2基底上没有台位,原子Au也能在Au粒与CeO2的界面上动态形成。该工作为设计稳定的单原子催化剂提供了普适思路,并对负载型金纳米催化剂尺寸效应的内在原因作出了新解释。

文献链接:Toward Rational Design of Oxide-Supported Single-Atom Catalysts: Atomic Dispersion of Gold on CeriaJ. Am. Chem. Soc.,2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01602

注:由于统计工具更新存在一定滞后,且被引频次可能随时增加,因此以上数据仅供参考,仅代表撰稿日的数据库信息,加之编辑能力有限,个别有遗漏或错误之处,请读者不吝赐教。

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨羽镜山

主编丨张哲旭


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本文由清新电源原创,作者清新电源媒体信息中心羽镜山供稿,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/5074.html

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