近日，中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室雷永鵬教授等在金屬電催化材料領(lǐng)域取得重要研究進展。相關(guān)成果接連發(fā)表在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Communications等國際權(quán)威期刊。

電催化CO2還原反應(yīng)（CO2RR）能夠在溫和條件下生成燃料和化學(xué)品等，為維持全球碳平衡和緩解能源短缺提供了一條可持續(xù)的途徑。單原子催化劑（SACs）包括彼此分隔開的活性金屬中心和載體，最大化的原子利用效率和高的本征活性使其備受關(guān)注。調(diào)節(jié)SACs中活性位點的配位結(jié)構(gòu)（配位鍵、配位數(shù)、鍵長、鍵角等）可以影響電子轉(zhuǎn)移和反應(yīng)中間體的吸附態(tài)，進而調(diào)控CO2RR的活性和選擇性。文章總結(jié)了典型的配位構(gòu)型和常見的表征工具；以碳基單分散過渡金屬原子為例，揭示了配位結(jié)構(gòu)與同步輻射光譜之間的關(guān)聯(lián)；討論了基于碳載體和非碳載體中心/配位原子的設(shè)計、調(diào)控策略，尤其是配位結(jié)構(gòu)對電流密度、還原產(chǎn)物、反應(yīng)路徑等的影響及反應(yīng)過程中催化劑的重構(gòu)。該成果以“Regulating the coordination structure of metal single atoms for efficient electrocatalytic CO2 reduction”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science（doi: 10.1039/D0EE02833A），聯(lián)合培養(yǎng)碩士生王裕超為第一作者，雷永鵬為通訊作者。

單原子催化劑用于火星CO2RR示意圖。

氫氣是化石能源的理想替代品，利用可再生電能電解水是非常重要的制氫方法。然而，堿性條件下的氫析出反應(yīng)（HER）面臨動力學(xué)緩慢、過電勢高等問題，亟需高效的電催化劑驅(qū)動水分解和質(zhì)子還原。尖晶石型過渡金屬氧化物具有廉價、無毒、穩(wěn)定等優(yōu)點，通過促進電子轉(zhuǎn)移來提高其堿性HER性能具有重要意義。作者在富缺陷氧族化合物表面引入碳層，構(gòu)建了一種典型的肖特基結(jié)。實驗和計算結(jié)果表明，富缺陷的CoFe2O4呈現(xiàn)金屬性，氮摻雜碳呈半導(dǎo)體特性，電子從內(nèi)部的氧化物和合金流向外部的氮摻雜碳，有效促進了催化劑表面發(fā)生的HER反應(yīng)，并為氧化物用于堿性HER提供了借鑒。該成果以“Accelerating charge transfer to enhance H2 evolution of defect-rich CoFe2O4 by constructing a Schottky junction”為題發(fā)表在Chemical Communications（doi: 10.1039/D0CC05656A），聯(lián)合培養(yǎng)碩士生王裕超、劉標副教授、20屆碩士生劉毅為共同第一作者，雷永鵬為通訊作者。

構(gòu)建的肖特基結(jié)促進了電子轉(zhuǎn)移，提高了HER電流密度。

此外，雷永鵬還和戴黎明教授、王平山教授合作，制備了Tpy-Co基聚合物金屬水凝膠用于水分解氧析出反應(yīng)，相關(guān)成果以“TpyCo2+‐Based Coordination Polymers by Water‐Induced Gelling Trigged Efficient Oxygen Evolution Reaction”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（doi: 10.1002/adfm.202000593）。與四川輕化工大學(xué)的雷英老師合作，以生物質(zhì)轉(zhuǎn)化法制備了多孔碳負載的Fe單原子/Fe2O3團簇，并用作鋅-空氣電池正極材料，相關(guān)成果以“Biomass in situ conversion to Fe single atomic sites coupled with Fe2O3 clusters embedded in porous carbons for the oxygen reduction reaction”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（doi: 10.1039/D0TA06022D）。