做遍元素周期表!李亚栋院士课题组2020年代表性成果集锦!
纳米人编辑部 2020-12-30
纳米人编辑部对全球重要科研团队2020年代表性成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是清华大学李亚栋院士


李亚栋教授长期从事无机纳米材料合成化学研究,主要致力于挑战金属团簇、单原子催化剂以期实现非贵金属替代贵金属催化剂、探索实现催化新反应,解决催化剂均相催化异项化实验室与工业化技术难题。目前已在Science, Nature等期刊发表学术论文300余篇,H-index 超过100。

李亚栋院士十分注重人才培养,他认为,“传道、授业、解惑”是作为一名教师的根本责任。催化化学目前仍然是我国发展较为薄弱的学科,他培养出了一大批扎根催化领域、投身国家化学化工事业发展的优秀学子。在他的学生中,1人获国际“IUPAC青年化学家奖”,4人获得“全国优秀博士学位论文奖”,6人获得“国家杰出青年科学基金”资助,8人获“优秀青年基金”等人才称号。

同时,李亚栋院士长期关注我国学术期刊的建设,目前同时担任《Nano Research》(《纳米研究》)和《Science China Materials》(《中国科学·材料》)主编,为国内学术期刊的高质量发展做出重要贡献。

李亚栋院士课题组部分代表性研究成果包括但不限于:
由于李亚栋院士成果颇丰,在诸多领域均有重要成果,此处仅列举其中几种,欢迎大家留言补充。
1)提出了纳米晶“液相-固相-溶液”界面调控机制,实现了不同类型纳米晶的可控制备;
2)将水热、溶剂热合成技术成功应用于新型一维纳米材料的合成,实现了金属铋、钛酸盐、硅酸盐、钒酸盐、稀土化合物等纳米线、纳米管的制备,揭示了液相条件下纳米晶的取向生长规律性;
3)提出金属间化合物、合金表观电负性概念及其计算经验公式,建立了比传统高温合成金属间化合物、合金材料低400-500度的低温合成方法。
4)发展了系列化的单原子催化剂以及团簇催化剂和纳米颗粒催化剂的普适性、规模化制备策略。尤其是在单原子催化剂制备技术方面,长期引领国际研究趋势,为低成本、高性能单原子催化剂的研制和工业化应用奠定了基础。

此外,李亚栋院士课题组在能源、化工、环境等相关领域进行了大量科学探索、深度创新和产业化推动,在CO2还原制高价值化学品,燃料电池等等诸多领域都取得了一系列重要进展。因篇幅原因,此处不做详细介绍。

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有鉴于此,纳米人编辑部简要总结了李亚栋院士课题组2020年部分重要研究成果,供大家交流学习。
1)由于相关论文数量较多,本文仅限于通讯作者论文,如有重要遗漏,欢迎留言补充。
2)由于学术水平有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。
3)由于篇幅限制,部分成果未详细解读,仅以发表截图展示。

2020年,李亚栋院士团队极致专注于原子分散催化领域的研究,取得的重要成果包括但不限于:
1)发展了一系列新型的单原子催化剂制备技术,尤其是在单原子催化剂普适性制备和规模化制备领域取得了重要突破,并成功地将单原子催化剂拓展到量子点体系、稀土元素体系和主族金属体系,近乎覆盖整个元素周期表中具有催化活性的元素
2)开发了一系列电催化能源转化技术,在CO2还原制高价值化学品,燃料电池ORR,水分解制氢、锂硫电池等各个领域不断扩大单原子催化技术的应用边界。
3)系统阐述了单原子催化剂的催化机理及其在不同应用领域的关键问题,为设计、选择和合成更合适的工业催化剂提供了指导。

其中,2020年最具代表性的成果包括但不限于:
1)独创了一种覆盖元素周期表的普适性单原子催化剂制备方法
2)发明了一种高性能燃料电池单原子催化剂
3)发展了一种超高负载量单原子催化剂的普适性制备方法
4)将单原子催化剂拓展到稀土元素体系
5)将单原子催化剂拓展到量子点体系

本文主要篇幅将分为以下两个方面展开:
Part Ⅰ 代表性成果
Part Ⅱ 极致专注单原子催化技术


2020年代表性成果1
覆盖元素周期表的普适性单原子催化剂制备方法

单原子催化剂不仅能够最大化的利用每个原子,并且展现出和团簇、纳米颗粒不一样的催化反应活性,单原子催化剂的普适性制备方法,是决定单原子催化剂到底能走多远的根本问题。2020年,清华大学李亚栋院士和王定胜副教授等人开发了一种普适性的主客体策略,实现了Pt,Ir,Pd,Ru,Mo,Ga,Cu,Ni,Mn等多种金属单原子催化剂的制备,覆盖元素周期表中位于3d、4p、4p、5d的具有催化活性的各种金属元素。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果2
高性能燃料电池单原子催化剂

甲酸燃料电池是最有希望在未来应用于便携式电子设备的电池之一。Pt、Pd等贵金属是目前最好的甲酸氧化反应(FOR)催化剂,但是却存在单位质量活性较差,容易中毒等问题。有鉴于此,清华大学李亚栋院士和王定胜副教授等人发展了一种Rh单原子催化剂,在FOR反应中具有优异的单位质量活性低与抗中毒性能。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果3
高负载量单原子催化剂的普适性制备方法

单原子催化剂的合成仍然存在一些挑战,包括单个金属原子的稳定性,合成方法的通用性,以及相对较低的金属负载量,导致无法满足实际应用需求。有鉴于此,清华大学李亚栋院士和王定胜副教授等人报道了一种简便易行的热解配位聚合物策略,可广泛应用于一系列单原子催化剂的合成,包括SAS-Fe,SAS-Ni,SAS-Cu,SAS-Zn,SAS-Ru,SAS -Rh,SAS-Pd,SAS-Pt和SAS-Ir等。其中,单原子Fe的负载量最高可达到30 wt%。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果4
将单原子催化剂拓展到稀土元素体系

太阳能驱动CO2光催化还原制化学燃料,是减少CO2排放并生产增值产品的可行途径。然而,低的催化效率和低的选择性阻碍了光催化CO2RR的发展。清华大学李亚栋院士,王定胜和黑龙江大学王国凤等人报告了一种新颖的原子限域配位策略,实现了在氮化碳纳米管上负载具有可控分散密度的稀土铒(Er)单原子(Er1/CN-NT)催化剂,首次发现稀土单原子光催化CO2RR特性此外,该合成策略简便易行,用途广泛,可扩展到其他稀土单原子催化剂的合成,极大地丰富了单原子催化剂的元素类型。(技术详情参见本文正文)

2020年代表性成果5
将单原子催化剂拓展到量子点体系

从原子尺度理解多相催化剂的催化机理,对于提高催化剂的本征活性、活性位点密度、电子传输和稳定性都至关重要。清华大学李亚栋院士联合澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授,阿德莱德大学乔世璋教授等人报道了一种全新的合成策略,可以在闪锌矿NixZCS量子点中实现Ni的原子分散,以最大限度地提高其在太阳光驱动下的高效和持久的光催化水分解性能,实现了高达18.87 mmol h-1 g-1的光催化制氢活性。(技术详情参见本文正文)


Part Ⅱ 极致专注:单原子催化技术

发展普适性、规模化的单原子催化剂制备策略,拓展的单原子催化剂的应用边界,是李亚栋院士课题组近年来主要研究方向之一。尤其是在单原子催化剂的合成技术上,长期引领国际研究方向的趋势。

2020年,李亚栋院士课题组在单原子催化剂合成技术及其在电催化能源转化应用方面取得重要突破,尤其是在燃料电池电催化领域取得系列进展,具体如下:

Nature Chemistry:把单原子催化剂做遍元素周期表
单原子催化剂不仅能够最大化的应用每个原子,并且和纳米结构的材料相比,展现出不一样的催化反应活性,因此被认为是一类有希望的材料。清华大学李亚栋、王定胜等开发了一种主客体方法用于将多种金属组装到氮掺杂碳材料中,实现了将Pt,Ir,Pd,Ru,Mo,Ga,Cu,Ni,Mn等金属组装到氮掺杂的碳上,覆盖元素周期表中位于3d、4p、4p、5d的具有催化活性的各种单原子位点金属催化材料的合成。

作者发现,Ir单原子催化剂在甲酸氧化电催化反应中却表现出高达12.9 A mgIr-1的质量活性,而Ir/C纳米颗粒催化剂的催化活性基本上是惰性的(~4.8×10-3 A mgIr-1)。Ir1/C催化剂的活性分别是Pd/C和Pt/C的16倍和19倍。此外,Ir1/CN催化剂展现了较高的CO防中毒作用。

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Zhi Li et al. Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acid oxidation synthesized using a general host–guest strategy, Nature Chem 2020
DOI:10.1038/s41557-020-0473-9
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0473-9

Nature Nanotechnology:单原子Rh电催化剂助力甲酸燃料电池
甲酸燃料电池是最有希望在未来应用于便携式电子设备的电池之一,虽然贵金属如铂(Pt)和钯(Pd)通常被认为是是现今对于甲酸氧化反应(FOR)最有效的催化剂,然而,它们较差的单位质量活性与抗中毒性却阻碍了甲酸燃料电池的应用,因此,为了满足甲酸燃料电池的应用需求,必须开发新型的FOR电催化剂。

有鉴于此,清华大学李亚栋院士和王定胜副教授等人报道了一种氮掺杂碳负载的铑(Rh)单原子催化剂(SA-Rh/CN),有效地解决了FOR电催化反应中单位质量活性低与抗中毒性差的问题。他们通过原位合成法合成Rh/ZIF-8前驱体,并通过900 oC煅烧,成功合成了SA-Rh/CN电催化剂。常规Rh/C纳米颗粒电催化剂的FOR活性较低,而SA-Rh/CN的单位质量活性与Pd/C和Pt/C电催化剂相比却分别提高了28倍和67倍,同时,SA-Rh/CN的抗CO中毒性能也显著增强。经过长时间测试后,Rh单原子的团聚现象并不明显,具有出色的催化稳定性。DFT计算表明,在SA-Rh/CN表面,甲酸(HCOOH)先分解为HCOO*,然后再被氧化为CO2。同时根据计算结果,在SA-Rh/CN表面要生成CO的反应能垒较高,同时SA-Rh/CN表面与CO的亲和性较弱,导致了SA-Rh/CN有很好的抗CO中毒性能。

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Xiong et al., Single-atom Rh/N-doped carbon electrocatalyst for formic acid oxidation, Nat. Nanotech., 2020.
DOI: s41565-020-0665-x
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0665-x

Science Advances:把单原子分散催化剂做到量子点上面去
原子级分散的多相催化剂具有高度可调的活性、稳定性和反应性。从原子尺度理解多相催化剂的催化机理,对于提高催化剂的本征活性、活性位点密度、电子传输和稳定性都至关重要。

有鉴于此,澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授,阿德莱德大学乔世璋教授,清华大学李亚栋院士等人报道了一种全新的合成策略,可以在闪锌矿NixZCS QDs中实现Ni的原子分散,以最大限度地提高其在太阳光驱动下的高效和持久的光催化水分解性能。
研究人员以金属氯化物和硫代乙酰胺(TAA)为前驱体,油胺(OLA)为还原剂和稳定剂,采用热注射法制备了化学计量比的ZCS QDs。将Ni分散到ZCS QDs中,得到了四种NixZCS(x=0.015625,0.03125,0.0625和0.125)QDs,分散在ZCS QDs中的微量Ni原子催化剂具有高达18.87 mmol h-1 g-1的超高光催化制氢活性。研究人员认为,增强催化性能的主要因素包括:1)所制备的Ni0.03125ZCS QDs具有高活性的单价Ni(I)在(111)面上的有利的表面工程;2)各向异性(110)/(111)界面之间的表面异质结,以加强由于BIEF的载流子分离;3)合适的表面H2吸附热力学。

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D. W. Su, et al, Atomically dispersed Ni in cadmium-zinc sulfide quantum dots for high-performance visible-light photocatalytic hydrogen production, Sci. Adv. 2020
DOI:10.1126/sciadv.aaz8447
http://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaaz8447

JACS: 单原子Co催化剂高选择性ORR
四电子ORR电催化反应过程中通常伴随着生成H2O2的还原反应,并会降低电催化反应选择性。有鉴于此,清华大学李亚栋、中科院化学所毛兰群等人报道了一种单原子Co-N4电催化剂,在中性环境起始电位达到0.68 V (vs. RHE),并且具有较高的、超过商业化Pt电极对H2O2的容忍性

电化学动力学分析结果显示,Co-N4催化剂位点更倾向于进行四电子ORR反应,而非通过H2O2过程的两电子反应。DFT计算结果显示,由于卟啉Co位点上的H2O2吸附性能较弱,导致还原H2O2的过程被抑制。因此,电催化剂受到H2O2的干扰作用得以缓解,此外电极能够选择性的对O2进行体内环境传感,以上研究结果为金属-吸附物之间相互作用的调控提供经验,扩展了单原子催化剂在环境、生物监测领域中的应用前景。

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Fei Wu et al. A Single-Atom Co-N4 Electrocatalyst Enabling Four-Electron Oxygen Reduction with Enhanced Hydrogen Peroxide Tolerance for Selective Sensing, J. Am. Chem. Soc. 2020
DOI: 10.1021/jacs.0c07790
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07790

Angew:稀土铒单原子催化剂增强光催化CO2还原
太阳能驱动CO2光催化还原制化学燃料,是减少CO2排放并生产增值产品的可行途径。然而,低的催化效率和低的选择性阻碍了光催化CO2RR的发展。有鉴于此,清华大学李亚栋院士,王定胜和黑龙江大学王国凤等人报告了一种新颖的原子限域配位策略,实现了在氮化碳纳米管上负载具有可控分散密度的稀土铒(Er)单原子(Er1/CN-NT)催化剂。

这项研究首次发现稀土单原子光催化CO2RR特性,实验结果和原位XAFS以及DFT计算表明,铒在原子级别上的均匀分散对光催化CO2RR优异性能有主要贡献,拓宽了光催化剂的选择,并促进了对稀土单原子催化的机理的理解和实际应用。此外,该合成策略简便易行,用途广泛,可扩展到其他稀土单原子催化剂的合成,丰富了单原子催化剂的元素类型。

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Dingsheng Wang, et al. Rare‐earth single erbium atoms for enhanced photocatalytic CO2 reduction reaction, Angew. Chem. 2020
DOI: 10.1002/ange.202003623
https://doi.org/10.1002/ange.202003623

AM:用于苯乙烯环氧化的高负载单原子铁催化剂的克级合成
单原子位点(SAS)催化剂因其极高的原子效率和出乎意料的催化性能而受到越来越多的关注。迄今为止,有关开发SAS催化剂的合成策略已经进行了大量研究,并报道了一些新颖的方法。然而,SAS催化剂的研究仍然存在一些挑战。首先,单个原子位点易于移动和聚集,因此通常需要复杂而细致的策略来稳定金属原子。其次,由于不同的金属原子表现出不同的配位性质,因此大多数合成方法不具备通用性。最后,目前所报道的SAS催化剂均具有相对较低的金属负载量,因此无法满足实际应用需求。因此,探索简便,通用的合成策略以获得高金属负载量的SAS催化剂具有重要意义。

有鉴于此,清华大学李亚栋院士、王定胜副教授等人报道了一种热解配位聚合物(PCP)策略,该策略简便易行,可广泛应用于一系列SAS催化剂的合成,包括SAS-Fe,SAS-Ni,SAS-Cu,SAS-Zn,SAS-Ru,SAS -Rh,SAS-Pd,SAS-Pt和SAS-Ir等。该SAS催化剂可以以克为单位轻松合成,并且SAS-Fe催化剂的金属负载量达到创纪录的30 wt%,满足了实际应用的要求。研究发现SAS-Fe催化剂使用O2作为唯一氧化剂对苯乙烯的环氧化反应显示出空前的催化性能(产率:64%;选择性:89%),而Fe纳米颗粒和铁卟啉则无活性。

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Yu Xiong, et al, Gram-Scale Synthesis of High-Loading Single-Atomic-Site Fe Catalysts for Effective Epoxidation of Styrene, Adv. Mater. 2020
DOI: 10.1002/adma.202000896
https://doi.org/10.1002/adma.202000896.

EES:主族单Sb-N4活性中心高效催化CO2RR制甲酸盐
主族金属元素锑(Sb)是促进CO2还原反应(CO2RR)生成甲酸盐的重要电催化剂,是一种重要的储氢材料,也是许多工业反应中的关键化学中间体。有鉴于此,北京理工大学陈文星副研究员,张加涛教授,清华大学王定胜副教授,李亚栋院士等人报道了以氮掺杂碳纳米片为载体的Sb-N4单元组成的Sb单原子催化材料(Sb SAs/NC),具有优异的CO2RR制甲酸盐性能。

研究人员采用湿化学和热解方法合成了Sb SAs/NC。首先,氯化锑(SbCl3)、双氰胺(DCDA)和三甲酸在乙醇中充分混合,干燥。然后,将混合粉末在800 ℃、N2气氛下热解,然后进行酸蚀处理,制得Sb SAs/NC。相对于RHE,Sb SAs / NC在-0.8 V时具有94.0%的甲酸法拉第效率。原位X射线吸收精细结构(XAFS)研究和密度泛函理论(DFT)计算表明,优异的CO2RR活性主要得益于带正电的Sbδ+-N4(0<δ<3)活性位。< span="">该研究结果为合理设计和精准调控主族金属(Sb,In,Sn,Bi等)的CO2RR原子尺度电催化剂提供了重要指导。

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Zhuoli Jiang, et al, Discovery of Main Group Single Sb-N4 Active Sites for CO2 Electroreduction to Formate with High Efficiency, Energy Environ. Sci., 2020
DOI: 10.1039/D0EE01486A
https://doi.org/10.1039/D0EE01486A

Nano Letters:单原子Cu催化剂高效电催化ORR
电化学氧还原反应(ORR)动力学迟缓是阻碍燃料电池和可充电金属-空气电池广泛商业化的关键因素之一。传统用于ORR催化的铂基催化剂面临高成本、稀缺性和较差的稳定性等问题。研究表明,在非铂基催化剂中, M-N-C催化剂中的M-NX原子部分被认为是ORR的催化活性中心。为了进一步提高M-N-C单原子催化剂的催化性能,通常采用两种策略,包括:调整金属中心的电子结构和优化M-N-C原子的几何结构以提高活性位点利用率。

有鉴于此,清华大学李亚栋院士、王定胜副教授等人报道了一类高度分散的孤立单原子Cu催化剂具有优异的电催化ORR性能。研究人员首先在氩气气氛下碳化ZIF-8沸石表面的介孔SiO2层,然后在HF溶液中酸浸去除SiO2层,得到具有增强介孔的三维多面体碳颗粒材料(NC(meso));然后以富介孔的高缺陷碳多面体为载体,包裹Cu(NO3)2分子(铜源)和尿素;最后在氩气氛下将混合物热解后,得到Cu-SA / NC(meso)催化剂。其中,尿素的热分解会产生氨,氨将充当还原剂,以便在热解过程中将Cu位点从+2转换为+1氧化态,从而生成更多的Cu1+–N活性位点。而ORR活性会随着Cu1+位点的增加而增加。实验结果显示,经过优化的Cu1+-SA/NC(meso)-7催化剂在碱性电解液中表现出优异的电催化活性、较长的耐久性和较高的耐甲醇能力,在0.90 V时的半波电位(E1/2)为0.898 V,大的动能电流密度(JK)为5.36 mA cm-2,效果优于目前报道的大多数具有优异性能的ORR电催化剂。令人印象深刻的是,基于Cu1+-SA/NC(meso)-7电极的可充电锌空气电池表现出优异的性能和高功率密度,显示了Cu1+-SA/NC(meso)-7巨大的实际应用前景。机理分析结果表明,Cu1+原子中心的密集分布是提高Cu1+-SA/NC(meso)-7催化剂ORR催化活性的关键因素,而增强的介孔结构通过改善对内部活性中心的可及性,促进了Cu1+活性中心的质量/电荷传递,有效提高了Cu1+活性中心的利用效率。

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Tingting Sun, et al, Engineering of coordination environment and multiscale structure in single-site copper catalyst for superior electrocatalytic oxygen reduction, Nano Lett., 2020
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02677
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02677

Chem: 单原子位点Cu催化剂高效催化炔烃硼氢化
对于多相催化剂,活性金属中心与配位原子间形成键合力,这一配位化学键的性质对催化剂的性能有着重要的影响。然而,多相催化剂的配位环境往往难以调控的,因而很难通过对配位环境与其活性之间的关系。而化学键的性质受其极性调控,因可以通过调节多相催化剂中配位键的极性来调控其催化活性。

有鉴于此,清华大学的李亚栋院士和王定胜副教授等人提出了一种二元有效控制多相Cu催化剂中Cu-O键极性的方法,可以提高其在硼氢化反应中的催化活性。他们首先通过湿法浸渍的方法在氧化铈纳米棒(CeO2)载体上构建了具有弱极性Cu-O键的单原子位点Cu催化剂。随后,他们利用密胺树脂高温热解还原氧化铈的策略,成功得到具有强极性Cu-O键的氧化铈纳米棒负载的单原子位点Cu催化剂。研究发现,经过密胺树脂热解还原处理后的催化剂中的单原子位点Cu中心的电子密度降低,氧化铈表面的配位O原子的电子密度升高。这一电子密度的改变显著增加了Cu-O键的偶极矩,即Cu-O键的极性得到了增强。而且,具有强极性Cu-O键的催化剂表现出明显高于具有弱极性Cu-O键的催化剂的催化活性。该工作提高了对化学键性质与催化性能之间的相关性的理解,为设计制备更高性能的多相催化剂提供了一种新的思路。

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Jian Zhang et al. Tuning Polarity of Cu-O Bond in Heterogeneous Cu Catalyst to Promote Additive-free Hydroboration of Alkynes. Chem, 2020.
DOI: 10.1016/j.chempr.2019.12.021
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.021

Chem. Soc. Rev.:用于水分解、氧还原以及选择性氧化的原子位点电催化剂
电催化反应在清洁能源转化中扮演着重要角色。近年来,原子位点催化剂,包括单原子位点催化剂以及双原子位点催化剂等凭借极高的原子利用效率、明确的催化活性位点以及高催化选择性等优势而被视为贵金属催化剂的良好替代品。在本文中,清华大学化学系的李亚栋院士与陈晨副教授等对近年来原子位点催化的相关进展进行了综述。
作者在文章中首先介绍了单原子催化剂、双原子催化剂等电催化新宠的设计与合成方法。然后,对于这些原子位点电催化剂确定精确原子结构所需的先进表征手段进行了简单介绍。此外,作者还对原子位点催化剂在一些清洁能源转化反应中的进展进行了详细的介绍。最后,探讨了开发具有更高选择性、更高催化活性、更稳定和更低成本的原子位点催化剂所面临的机遇与挑战。

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Di Zhao et al, Atomic site electrocatalysts for water splitting, oxygen reduction and selective oxidation, Chem. Soc. Rev., 2020
DOI: 10.1039/C9CS00869A
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00869a/unauth#!divAbstract

Matter综述:原子级精度的结构调节,从单原子位点到双原子和原子界面催化
单原子位点催化剂(SASCs)作为催化领域中一个新兴的门类,在一系列重要的催化反应中表现出优异的活性、选择性和稳定性。SASCs的组成和结构对催化性能有很大的影响。因此,在原子水平上对结构进行合理的操作,从而设计不同的活性位点来提高整体催化性能对于SASCs来说至关重要。

有鉴于此,清华大学陈晨副教授和李亚栋院士等人比较了SASCs与团簇/纳米颗粒的催化行为,并系统地解释了SASCs的微观结构对催化性能的影响。基于SASCs的缺点,引出经过原子级精度结构调节的金属双原子催化剂(MDSCs),并指出其反应机理——协同效应;由于SASCs等物质通常具有高度一致且容易识别的活性位点,可以从原子角度解释催化反应机理。随后,他们总结了协同催化在双原子、多原子位点、单原子合金和原子界面上的研究进展,并强调了原位表征技术对活性位点监测的重要意义。最后,他们讨论了SASCs的局限性、发展趋势和未来的挑战,并对进一步构建更复杂的催化反应活性位点提出了展望。目前单原子催化剂的开发和应用仍处于研究阶段,离工业应用还较为遥远。基于单原子催化剂的巨大优势,相信单原子催化剂将在催化领域大放异彩。

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Yuan Pan et al. Structural Regulation with Atomic-Level Precision: From Single-Atomic Site to Diatomic and Atomic Interface Catalysis. Matter, 2020.
DOI: 10.1016/j.matt.2019.11.014
https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.11.014

Small Methods: 原子级分散催化剂的合成与应用研究进展
原子级催化剂(ATC)在能量转换应用中显示出广阔的前景,这是因为与大体积的同类材料相比,在大比表面积和高暴露表面原子密度具有显着优势。在与能量转换相关的反应中,已合成的ATC,包括金属(合金),层状双氢氧化物(LDH),过渡金属二硫化碳(TMD),过渡金属氧化物(TMO)和碳基材料,比商业贵金属具有更高的效率和更好的催化稳定性。

有鉴于此,清华大学王定胜副教授、李亚栋院士综述了原子级厚度催化剂在合成与应用研究方面的最新进展,并总结了其面临的挑战和未来的发展方向。首先介绍了合成不同类型ATCs的各种策略,“自上而下法”包括湿化学合成、水热法、模板辅助法、电化学辅助法和化学气相沉积方法;“自下而上法”包括机械压缩,剥离或液相剥离辅助法。然后详细介绍了ATCs在电化学催化氧还原反应(ORR),甲酸氧化反应(FAOR),甲醇氧化反应(MOR)、乙醇氧化反应(EOR)、析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、二氧化碳还原反应(CRR)等领域中的最新应用进展。作者指出,ATCs面临的挑战包括:(1)大规模合成ATCs方法仍待进一步探索;(2)ATCs在某些合成方法中会有大量表面活性剂残留,阻碍了催化活性位点的暴露;(3)ATCs对高压电子束非常敏感,对其形貌和结构的表征手段有待进一步探索。ATCs的未来发展方向包括:(1)进一步提高ATCs的催化性质;(2)在燃料电池应用中,利用非贵金属的ATCs取代传统贵金属(如铂碳)催化剂;(3)提高贵金属Pt基或Pd基ATCs对CO等中间体的抗中毒能力,设计制备价格低廉,高活性、高稳定性的ATCs催化剂。

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Ali Han et al. Atomic Thickness Catalysts: Synthesis and Applications. Small Methods, 2020.
DOI: 10.1002/smtd.202000248
https://doi.org/10.1002/smtd.202000248

Nano Research综述:单原子催化助力长寿命,高能量的锂硫电池
凭借高能量密度和低材料成本,锂硫电池(LSB)在过去十年中迅速成为令人着迷的储能系统。但是,由于尚未完全理解和控制电池运行期间的电极-电解质界面化学,例如多硫化物穿梭效应和活性硫利用率低。因此,仍然存在许多亟待解决的问题。单原子催化剂(SACs)由于在结构-活性关系和反应机理的原子级鉴定中具有良好的适用性,以及它们在原子精度上的结构可调性,为解决上述LSBs的问题提供了新的可能性策略。

有鉴于此,清华大学李亚栋院士,王定胜教授等人全面总结了高活性SACs在长寿命,高能量LSB中的最新研究进展。作者阐述了关于LSBs的基础知识,面临的主要挑战和潜在解决策略,以便更好地了解SACs对于LSB的机制和效果。作者阐述了利用SACs不仅可以增强正极表面与LiPSs之间的化学作用,而且还能改善LiPSs氧化还原动力学的策略包括:(1)用于在正极上进行有效的多硫化物转化的SACs;(2)修改隔板;(3)保护锂金属负极。此外,作者还展望了用于LSBs的SACs的未来发展方向和前景包括:(1)合理选择金属中心并优化配体;(2)设计更有效的SACs载体;(3)开发简单可控的SACs合成策略;(4)通过先进的原位表征揭示催化机理;(5)用于锂金属负极的SACs的研究;(6)商业化。

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Zhuang, Z., Kang, Q., Wang, D. et al. Single-atom catalysis enables long-life, high-energy lithium-sulfur batteries. Nano Res. (2020).
DOI:10.1007/s12274-020-2827-4
https://doi.org/10.1007/s12274-020-2827-4

2020年,除了以上成果之外,李亚栋院士团队还在单原子催化剂的其他多个方面有所突破,在次不一一摘录。
 
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重要理念
 
李亚栋院士极其注重人才培养,他认为,“传道、授业、解惑”是作为一名教师的根本责任。清华大学王训教授曾谈到:“李老师自身对学术的看法和坚持会潜移默化地影响自己的学生……晚上睡觉时都会把手机和本子放在床头,突然有思路和灵感就抓紧记录下来。”北京理工大学张加涛教授也说:“李老师的鼓励帮助自己一次次克服工作和科研中遇到的挫折,坚持做好本职研究方向,努力为纳米科学作出贡献。”(来源:清华大学新闻网)
 
最后,我们想与大家分享几条李亚栋院士为师为学的感想,祝大家在在追寻真理的道路上越战越勇、不断前行!
 
“一是对待同学应信任和真诚;
二是作为学生要传承手艺和思想;
三是为人应勤奋,有执行力,保持自信和自律;
四是无论做任何事,热爱就要付出努力。”
 
“道之所存,师之所存也”
“吾爱吾师,吾更爱真理”
 
人物简介:
李亚栋,男,汉族,1964年11月生于安徽省宿松县。清华大学化学系教授,曾先后于2001年、2008年获国家自然科学奖二等奖。2011年当选为中国科学院院士,2014年当选发展中国家科学院院士。

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