金屬納米催化劑的案例
中國科大揭示金屬納米催化劑尺寸效應(yīng)
金屬納米顆粒的尺寸效應(yīng)對負載型金屬納米材料的催化活性和選擇性有重要影響。從幾何結(jié)構(gòu)上看，隨著金屬顆粒尺寸的減小，低配位原子逐步暴露且比例漸漸升高，顯著改變催化材料活性中心的結(jié)構(gòu)和比例。從電子結(jié)構(gòu)上看，金屬顆粒的電子能級也因量子尺寸效應(yīng)發(fā)生顯著改變，極大地影響催化材料和反應(yīng)物之間的軌道雜化和電荷轉(zhuǎn)移。由于金屬納米催化顆粒的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)隨其尺寸同步改變，使得人們無法有效區(qū)分兩種結(jié)構(gòu)效應(yīng)對催化反應(yīng)活性、選擇性的貢獻以及對尺寸的依賴關(guān)系。如何揭示金屬催化劑尺寸效應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì)，打破幾何結(jié)構(gòu)效應(yīng)和電子結(jié)構(gòu)效應(yīng)與顆粒尺寸的強關(guān)聯(lián)性，進而優(yōu)化設(shè)計性能更好的催化劑，是目前多相催化領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。
針對這一問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授路軍嶺課題組和李微雪課題組展開實驗和理論合作研究，首次揭示了金屬納米催化劑中幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)各自對催化反應(yīng)隨尺寸變化的調(diào)變規(guī)律，創(chuàng)造性地提出一種拆分剝離金屬顆粒幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)的策略——金屬納米顆粒的“氧化物選擇性包裹”。在具有重要應(yīng)用背景的Pd催化苯甲醇選擇性氧化到苯甲醛反應(yīng)中，實現(xiàn)了高活性和高選擇性轉(zhuǎn)化。相關(guān)研究結(jié)果以Disentangling the size-dependent geometric and electronic effects of palladium nanocatalysts beyond selectivity 為題，發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進展》上（Science Advances,2019, 5, eaat6413）。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat6413
醛類化合物是合成精細化學(xué)品的關(guān)鍵中間體。醇選擇性氧化制醛是重要的基本化工過程。
展開 金屬所JACS封面：新型納米碳材料負載金屬催化劑重要進展！
日前，中科院金屬所催化材料研究部劉洪陽副研究員和博士研究生黃飛等人組成的納米碳材料負載金屬催化劑研究小組與北京大學(xué)馬丁教授合作，通過調(diào)控金屬鈀（Pd）原子與碳載體之間的相互作用，在納米金剛石/石墨烯碳載體上制備出原子級分散的單位點Pd催化劑，進一步的研發(fā)發(fā)現(xiàn)該催化劑在催化乙炔高效選擇性加氫應(yīng)用中作用顯著。《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society, IF=14.7) 在線發(fā)表了該項研究成果（DOI：10.1021/jacs.8b07476），該工作并選為封面文章。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07476
乙炔選擇性氫化是工業(yè)生產(chǎn)高分子聚合物過程中的重要反應(yīng)之一。如何選擇性將乙炔加氫到乙烯，而避免乙烯進一步氫化到乙烷，是這一反應(yīng)需要解決的主要問題。負載型Pd催化劑具有很高的乙炔加氫反應(yīng)活性，但乙烯選擇性很低。目前工業(yè)上廣泛使用的加氫催化劑是經(jīng)過適當(dāng)修飾的Pd基催化劑，但仍然存在Pd的原子利用率較低等問題。因此，設(shè)計開發(fā)兼具高活性，高穩(wěn)定性和經(jīng)濟實用的加氫催化劑具有重要意義。
劉洪陽副研究員帶領(lǐng)的研究小組致力于新型納米碳材料負載金屬催化劑的研究。經(jīng)過多年的學(xué)術(shù)積累，首次利用納米金剛石/石墨烯復(fù)合核殼材料（ND@G）為載體，制備出一種原子級分散高選擇性乙炔加氫Pd基催化劑（圖1）。
展開 呂堅院士團隊《AFM》：一種納米海綿結(jié)構(gòu)高熵金屬玻璃合金催化劑
然而，目前最先進的高性能電催化劑都是以結(jié)合貴金屬為載體的碳載體為基礎(chǔ)的，其復(fù)雜的加工方法是阻礙其商業(yè)化的主要原因。
來自新南威爾士大學(xué)Jamie J. Kruzic，哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫李剛，香港城市大學(xué)呂堅團隊等單位的研究人員，受高熵合金概念的啟發(fā)，利用其固有的多重性，并利用其化學(xué)均勻性和可調(diào)性的玻璃合金設(shè)計，提出了一種可縮放的策略，在堿性和酸性條件下將四種等原子元素PdPtCuNiP合金化成高熵金屬玻璃(HEMG)。HEMG的表面去合金化形成了具有納米孔和嵌入納米晶體的納米巨型結(jié)構(gòu)，提供了豐富的活性中心來實現(xiàn)優(yōu)異的HER活性。當(dāng)電流密度為10 mA cm?2時，在1.0M KOH和0.5M H2SO4溶液中的過電位分別為32 mV和62 mV，性能優(yōu)于現(xiàn)有的大多數(shù)電催化劑。密度泛函理論表明，晶格畸變和納米晶體的化學(xué)復(fù)雜性導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)上有很強的協(xié)同效應(yīng)，從而進一步穩(wěn)定了氫質(zhì)子的吸附/脫附。這種HEMG策略為設(shè)計用于電化學(xué)反應(yīng)的成分復(fù)雜的合金建立了一個新的范例。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101586
在這項工作中，高熵合金的概念被引入到金屬玻璃催化劑中，以獲得原子水平上均勻分布的元素，這些元素可以部分脫離合金，從而實現(xiàn)對表面層的無與倫比的納米結(jié)構(gòu)控制。利用這一新策略，本文成功地研制出一種等原子組成、納米結(jié)構(gòu)可調(diào)的柔性獨立式HEMG條帶，可直接用作電化學(xué)HER中高效、可靠的電極。
展開 金屬-有機框架衍生的多孔氮/鹵素雙摻雜納米碳高效氧還原催化劑
低成本、高效穩(wěn)定的非金屬材料作為氧還原反應(yīng)(ORR)的電催化劑對于燃料電池的規(guī)模化應(yīng)用至關(guān)重要。雜原子摻雜的多孔碳材料具有可調(diào)的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)， 能顯著提升氧還原催化活性。
基于此，中國科學(xué)院福建物構(gòu)所黃遠標(biāo)、曹榮課題組采用咪唑鎓鹽功能化的金屬-有機框架(MOFs)作為前驅(qū)體和自犧牲模板， 制備了氮和鹵素雙摻雜多孔納米碳催化劑。文章近期發(fā)表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9364-5。
圖1 BrNC-800的合成路線
其中氮/溴雙摻雜催化劑BrNC-800在堿性條件下具有優(yōu)異的電催化性能、穩(wěn)定性和抗甲醇毒化能力。其優(yōu)異的電催化活性歸因于：(1) 大量吡啶氮和石墨氮的摻雜產(chǎn)生豐富的碳活性位點， 同時高的石墨化程度有助于提高導(dǎo)電性，促進氧還原活性；(2) 溴的存在改變了催化劑的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)特征，并活化相鄰碳產(chǎn)生額外活性位點；(3) 高比表面和多級孔結(jié)構(gòu)有助于傳質(zhì)與增加暴露的氧還原活性位的數(shù)量， 而提高催化效率。
這項工作為以MOFs為前驅(qū)體制備高效的雜原子雙摻雜碳材料提供了一種簡便的方法。
展開 
清華大學(xué)Nature子刊：繭絲化學(xué)策略制備超薄N摻雜碳納米片負載金屬單位點催化劑
【前言】
固體基質(zhì)負載分散金屬單原子位點催化劑正成為催化領(lǐng)域令人振奮的研究前沿。因為這種單位點催化劑具有原子級金屬分散，所以這種催化劑在最大化原子效率、增強對目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性、提高固有活性和促進可回收性方面顯示出明顯的優(yōu)勢。事實上，包括Au, Pt, Pd, Ru, Ir, Rh, Fe, Co, Ni, Mn, Mo,和W在內(nèi)的單位點催化劑在過去幾年中已有報道，在CO氧化、太陽能轉(zhuǎn)化、制氫、氫化、CO2還原以及氧還原反應(yīng)中顯示出特別的活性。迄今為止，科研人員已經(jīng)報道了幾種用于制備單位點催化劑的合成方案，包括光化學(xué)還原、共沉淀、原子層沉積(ALD)、濕法浸漬等。因此，具有豐富錨定位點和理想幾何結(jié)構(gòu)的支撐材料對于獲得期望的催化性能至關(guān)重要。此外，顯著增大載體材料的表面積可以暴露最多的活性位點來與反應(yīng)物接觸，這被認為是提高這些非均相負載的單位點催化劑固有活性的有效途徑。各種沸石、金屬有機骨架(MOFs)以及多孔碳材料已經(jīng)被認為是單位點催化劑的常用載體。因此，建立合理和通用的合成方法來制備具有可控結(jié)構(gòu)和超高表面積的單位點催化劑是非常需要的，但也是具有挑戰(zhàn)性的。
【成果簡介】
近日，來自清華大學(xué)的王定勝教授和李亞棟院士（共同通訊）團隊在Nature Communications上發(fā)表文章，題為：A cocoon silk chemistry strategy to ultrathin N-doped carbon nanosheet with metal single-site catalysts。作者報道了一種繭絲綢化學(xué)策略來合成金屬單原子嵌入超薄2D多孔N摻雜碳納米片(M-ISA/CNS，M = Fe，Co，Ni )中催化劑。
展開 ：自模板法合成雙層多孔納米管光催化制氫催化劑
【引言】
目前，自模板策略是一種合成中空結(jié)構(gòu)催化劑簡單易行的方法。在半導(dǎo)體上定向光沉積負載助催化劑與化學(xué)沉積或物理混合相比，更能有效地利用助催化劑。但是，開發(fā)具有開放端口的多孔納米管非均相光催化劑，以及負載空間分離的雙助催化劑，仍然具有很大的挑戰(zhàn)。本文采用自模板和原位光沉積策略，獲得了具有增強光催化制氫活性的CoOx/ZnS@CdS/Ni雙層多孔納米管催化劑。
【成果簡介】
提高半導(dǎo)體光催化劑光轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵在于提升光生載流子的分離效率。近日，天津大學(xué)的張兵（通訊作者）等人通過自模板轉(zhuǎn)換策略，制備了ZnS@CdS雙層多孔納米管（PNTs），這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)在管的內(nèi)壁和外壁上分別具有分離的氧化和還原位點。采用Ni和CoOx作為雙助催化劑，進行選擇性光沉積后，作為電子收集器和還原反應(yīng)位點的Ni納米顆粒負載在CdS外殼上，而作為空穴收集器和氧化反應(yīng)位點的CoOx納米粒子負載在ZnS內(nèi)殼上。新型的CoOx/ZnS@CdS/Ni光催化劑具有以下特點：自模板衍生薄的介孔異質(zhì)結(jié)；光沉積衍生的空間分離雙重助催化劑，其協(xié)同效應(yīng)能夠為光生電子和空穴的有序轉(zhuǎn)移提供驅(qū)動力并促進表面催化反應(yīng)，極大提高了光催化制氫活性。此外，這一簡單的策略可以擴展到制備具有增強光催化活性的CoOx/ZnSe@CdSe/Ni PNT材料的合成上。相關(guān)成果以“Self-template synthesis of double-layered porous nanotubes with spatially separated photoredox surfaces for efficient photocatalytic hydrogen production”為題發(fā)表在Science Bulletin上。
展開 【綜述】化工進展：金屬氧化物在OX-ZEO催化劑中催化COx加氫制低碳烯烴進展
由合成氣直接制低碳烯烴過去主要依賴于費托合成制烯烴（FTTO）反應(yīng)路線，采用Fe基或Co基催化劑。盡管該路徑可以獲得較高的COx轉(zhuǎn)化率，但是該反應(yīng)服從聚合機理，產(chǎn)物遵循Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布規(guī)則限制，導(dǎo)致低碳烴選擇性低于58%。
采用金屬氧化物-分子篩（OX-ZEO）雙功能催化劑催化COx（CO/CO2）加氫轉(zhuǎn)化直接制低碳烯烴技術(shù)是近幾年的研究熱點。該技術(shù)將COx加氫制甲醇和甲醇制烯烴兩步反應(yīng)耦聯(lián)起來，使C—O活化和C—C耦合分別控制在不同的活性位點，實現(xiàn)了一步法由合成氣到低碳烯烴的高選擇性轉(zhuǎn)化，其示意圖見圖1。在OX-ZEO雙功能催化劑中，COx首先在金屬氧化物上活化并形成乙烯酮、甲氧基、甲醇等活潑含氧中間體，含氧中間體迅速擴散進入酸性分子篩（SAPO-34、MOR、SAPO-18、SSZ-13、RUB-13等）生成低碳烯烴。由于COx/H2的吸附和活化均發(fā)生在金屬氧化物上，因而金屬氧化物主要決定反應(yīng)的催化活性，分子篩則因其特定的孔道結(jié)構(gòu)和酸性質(zhì)決定目標(biāo)產(chǎn)物的類型和分布。近年來，分子篩在雙功能催化劑中催化CO/CO2加氫取得了重要進展。本文針對OX-ZEO中的金屬氧化物，概述了金屬氧化物在OX-ZEO中催化COx加氫制低碳烯烴反應(yīng)中的研究進展，重點討論了包括金屬氧化物種類和組成、金屬氧化物制備方法、金屬氧化物與分子篩“親密度”對反應(yīng)性能的影響，探討了催化反應(yīng)機理、氧空位的作用及抑制副反應(yīng)的策略，分析了OX-ZEO催化反應(yīng)面臨的問題和挑戰(zhàn)，并對OX-ZEO催化劑中金屬氧化物的設(shè)計進行了展望。
展開 華北理工《JMST》封面：全釩液流電池金屬和金屬氧化物催化劑進展
金屬催化劑具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和高催化活性。大多數(shù)金屬氧化物催化劑是過渡金屬氧化物，具有豐富的價鍵，而且成本低廉。
本文亮點
綜述了近年來釩電池中金屬和金屬氧化物催化劑的研究進展。
對金屬和金屬氧化物催化劑進行了分類，并研究了它們的催化性能。
分析并比較了不同的催化劑的催化性能和催化機理。
圖文解析
釩電池碳基電極因其存在電化學(xué)活性低的問題，可采用在電極表面引入催化劑的方法來提高電極的電化學(xué)活性。本文對引入的催化劑從金屬和金屬氧化物兩個方面進行了分類，并對其催化機理和催化性能進行了研究。
總結(jié)與展望
發(fā)展低成本、高導(dǎo)電性、高催化活性和高穩(wěn)定性的集成電極。
除了常用的水熱、酸處理等電極改性方法外，發(fā)展一些其他的電極改性方法如微波處理等。
含氧官能團可以提高金屬催化劑的穩(wěn)定性，與金屬有協(xié)同作用。可以在引入金屬催化劑的同時引入含氧官能團。
展開 中科院長春應(yīng)化所崔冬梅課題組：DMAO活化稀土金屬催化劑催化苯乙烯及其衍生物聚合
過渡金屬配合物在將烯烴單體轉(zhuǎn)化為各種聚合物材料中扮演著十分重要的角色。過去幾十年來，在設(shè)計和合成對烯烴聚合具有高活性和高選擇性的稀土金屬雙(烷基)配合物方面取得了巨大的進展。值得注意的是，幾乎所有具有高活性的稀土金屬雙(烷基)配合物都需要有機硼酸鹽來進行預(yù)活化，形成稀土金屬陽離子活性中心。例如：PhNHMe2B(C6F5)4、Ph3CB(C6F5)4、B(C6F5)3 (圖 1)。然而，有機硼酸鹽和硼 烷的高成本嚴重阻礙了稀土金屬催化劑的工業(yè)應(yīng)用。因此，對于低成本和高活性助催化劑的探索是一項非常有意義的任務(wù)。
基于上述背景，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所崔冬梅教授課題組探究了DMAO (Dry methylaluminoxane) 活化的稀土金屬雙(烷基)配合物(圖 2)對苯乙烯及其衍生物催化行為。實驗結(jié)果表明，在DMAO存在的情況下，具有芴亞甲基吡啶配體的3a催化劑對苯乙烯及其衍生物表現(xiàn)出前所未有的高催化活性(圖 3)。此外，這種3a/DMAO兩組分催化體系可以催化苯乙烯與乙烯交替共聚(圖 4)。
圖1 稀土金屬陽離子的形成
圖2 本文采用的稀土金屬雙烷基配合物
圖
3
3a
/DMAO
催化苯乙烯衍生物間規(guī)選擇性聚合
圖4 乙烯與苯乙烯交替共聚物的核磁共振碳譜
該工作即將于Chinese Journal of Polymer Science印刷出版。
展開 吉林大學(xué)《AFM》：一種用于高效分解水通用電催化劑的納米片！
設(shè)計基于富含地球元素的高魯棒性和高經(jīng)濟性電催化劑對于通過電化學(xué)水分解大規(guī)模制氫產(chǎn)業(yè)而言至關(guān)重要。
近日，來自吉林大學(xué)等單位的研究人員報道了氮摻雜碳嫁接Mo2N/CoN雜化納米片作為堿性析氫反應(yīng)的高效電催化劑。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102285
其無縫定向于分級納米多孔銅支架上，組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Mo2N/CoN納米片作為雙功能電活性位點可用于水離解和氫中間體的吸附/解吸。另一方面，含有氮碳得通過利用鉬/鈷-氮-碳鍵和界面處的緊密碳/銅接觸效應(yīng)，可在電活性位點和互連銅集流體之間橋接電子轉(zhuǎn)移。由于獨特的結(jié)構(gòu)使電活性位點可以充分接近，自支撐納米多孔鉬/鈷-氮-碳/銅混合電極在1 M氫氧化鉀中表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能，起始過電位可忽略不計，塔菲爾斜率低至47mV dec?1。它們只需要低至230毫伏的超電勢就能達到1000 mA/cm2的電流密度。當(dāng)堿性水電解器與能有效調(diào)節(jié)析氧反應(yīng)的電氧化衍生物結(jié)合時，在1M的氫氧化鉀電解液中，在1.622伏下可獲得約100 mA/cm2的電流，比用固定在納米多孔銅電極上的市售鉑/碳和銥/碳納米催化劑構(gòu)建的裝置低0.343伏。
圖1| 微結(jié)構(gòu)表征。
圖2| 化學(xué)表征。
圖3| 堿性HER的電催化性能。
圖4| Mo2N/CoN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的HER的理論計算。
圖5| OER的電催化特性。
展開 貴州大學(xué)《AFM》：7納米“積木”搭出新型催化劑用于燃料電池！
制備綜合性能優(yōu)良的乙醇燃料電池用金屬電催化劑是一個亟待解決的問題。
來自貴州大學(xué)等單位的研究人員，報道了一種由亞7 nm積木編織而成的新型3DAu摻雜PtBi金屬間化合物相。高效的“活性輔助”Au提高了3DPtBiAu上乙二醇電氧化的活性和原位抗CO中毒的能力，并伴隨著C-C鍵的斷裂，并通過無CO途徑實現(xiàn)了10-電子的完全電氧化。界面豐富的三維結(jié)構(gòu)具有“納米容器”功能、電子效應(yīng)等，以及“Pt-Au”或“Pt-Bi”的雙功能位，這使得3DPtBiAu的性能明顯優(yōu)于工業(yè)Pt黑和3DPtBi金屬間化合物。重要的是，在20小時的耐久性測試中，電池電壓在氧氣和空氣中的衰減可以忽略不計。本研究的結(jié)果是開發(fā)了新型3DPtBiAu金屬間化合物作為高性能陽極電催化劑應(yīng)用于DEGFCs。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103671
圖1.a)SEM圖像，b，c)TEM圖像，d)HRTEM圖像，e)SAED圖案。
圖2.a)Pt55.1Bi44.9、Pt51.3Bi46.8Au1.9、Pt53.1Bi43.4Au3.5和Pt50.9Bi43.3Au5.8的X射線衍射圖譜。
圖3. Pt55.1Bi44.9、Pt51.3Bi46.8Au1.9、Pt53.1Bi43.4Au3.5和Pt50.9Bi43.3Au5.8 在1.0M KOH+0.5M EG、50 mV s?1掃描速率下對乙二醇電氧化的電催化性能。
展開 
中國石化成功開發(fā)自有技術(shù)茂金屬催化劑
基于中試研究基礎(chǔ)，結(jié)合揚子石化氣相聚乙烯工業(yè)裝置實際，制定了茂金屬催化劑的工業(yè)化試生產(chǎn)方案，于2022年3月18日，實現(xiàn)自制茂金屬催化劑在2號聚乙烯裝置上成功應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)過程平穩(wěn)可控，各項指標(biāo)達到進口催化劑水平，產(chǎn)出了合格茂金屬管材產(chǎn)品80余噸。
茂金屬聚乙烯催化劑的成功開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用，有力推動了茂金屬聚乙烯催化劑國產(chǎn)化進程，為后續(xù)優(yōu)化催化劑合成工藝、完善制備條件、實施催化劑工業(yè)化生產(chǎn)、催化劑工業(yè)應(yīng)用，以及開發(fā)高端茂金屬產(chǎn)品等全鏈條貫通打下了堅實基礎(chǔ)。
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展開 ARCI開發(fā)出新金屬空氣電池催化劑 更具成本效益
因此，與文獻中早先報道的許多催化劑相比，新催化劑憑借低負載量、高活性和高循環(huán)穩(wěn)定性實現(xiàn)了成本效益。
該催化劑還可以降低電壓極化，從而實現(xiàn)更高的能源效率和穩(wěn)定的充放電特性。獲得的結(jié)果與金屬負載量為20%或更高的常規(guī)使用的貴金屬基催化劑的結(jié)果相當(dāng)。該研究已發(fā)表于期刊ACS Applied Energy Materials。
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張杰鵬教授團隊AM：類石墨烯氫鍵超分子納米片用作偽多孔催化劑載體
金屬氧化物、磷化物、碳化物和氮化物等無機納米顆粒已被廣泛用作多相催化劑。由于它們超小的尺寸及高表面能帶來的不穩(wěn)定性，這些納米顆粒在催化反應(yīng)過程中容易發(fā)生團聚導(dǎo)致失活。將納米顆粒固定在合適的催化劑載體上是解決這一難題的有效策略，同時載體與納米顆粒的相互作用還能調(diào)控催化劑的電子結(jié)構(gòu)，進一步提高催化活性。因此，發(fā)展新型催化劑載體是近年來異相催化領(lǐng)域的重要研究方向之一。
除了高比表面積外，化學(xué)穩(wěn)定性也是催化劑載體的重要特性，所以常用的催化劑載體都是基于共價鍵的無機物，例如石墨烯及其衍生物。在使用二維材料或超薄納米片作為催化劑載體時，納米顆粒通常只是附著在載體表面，在催化過程中容易脫落。顯然，將納米顆粒鑲嵌于多孔載體的孔隙中能提供更好的接觸和保護，但是化學(xué)穩(wěn)定的催化劑載體造孔非常困難。多孔配位聚合物或金屬-有機框架材料是近年來比較受關(guān)注的新型催化劑載體，其孔道結(jié)構(gòu)能用于鑲嵌無機納米顆粒，但這類基于配位鍵的材料很難在強酸強堿等條件下保持穩(wěn)定。氫鍵比共價鍵和配位鍵弱得多，對應(yīng)的超分子材料也更不穩(wěn)定，似乎難以被用作催化劑載體。
近日，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院張杰鵬教授與江西師范大學(xué)何純挺教授等人發(fā)現(xiàn)簡單的超聲剝離就可以將經(jīng)典的氫鍵共晶M-CA剝離成超薄納米片（厚度約1.6 nm），而且可耐強酸（pH = 0）。在高溫合成CoP納米顆粒過程中，利用氫鍵的可逆性，無孔的超薄納米片適應(yīng)性地原位生成缺陷/孔隙，形成嵌入式復(fù)合催化劑CoP@M-CA。
圖1. 納米顆粒與納米片的典型復(fù)合類型：(a) 納米顆粒附著于非多孔載體表面；(b) 納米顆粒鑲嵌于多孔載體上；(c) 納米顆粒鑲嵌于非多孔載體原位生成的缺陷中。
展開 碳基非金屬催化劑在能量轉(zhuǎn)換和儲存關(guān)鍵反應(yīng)中的應(yīng)用
【圖文簡介】
1．CMFCs的優(yōu)勢
圖1 不同種類的CMFCs及在ORR中活性位點、反應(yīng)機理
與金屬(氧化物)催化劑相比，從0D石墨烯量子點，1D碳納米管和2D石墨烯片到3D納米金剛石，分子對稱性和尺寸的廣泛變化為設(shè)計各種高性能碳材料催化劑提供了理想平臺。此外，將雜原子摻雜入石墨碳材料中可調(diào)控電子，進而產(chǎn)生光/電催化活性，提供了廣泛的碳基無金屬催化劑。因此，合理設(shè)計碳材料是開發(fā)新一代具有廣泛應(yīng)用的高性能無金屬催化劑的有效方法。
研究人員可以容易地設(shè)計和制備不同結(jié)構(gòu)明確的碳催化劑，有助于理解涉及催化性能提高的反應(yīng)機理。CMFCs除可作為無金屬催化劑用于ORR之外，還可用于OER、HER、CO2RR、NRR以及多重反應(yīng)(例如HER-ORR、OER-ORR)。除催化活性外，催化劑(或用于電催化的電極材料)的成本和穩(wěn)定性是實際應(yīng)用需要考慮的兩個主要因素。由于CMFC通常由儲量豐富的元素組成，例如C、B、N和O，其相較金屬基催化劑更具成本效益。CMFC還具有出色的穩(wěn)定性和高燃料耐受性，因為它們具有出色的耐腐蝕性和反應(yīng)物選擇性，這是工業(yè)催化和可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換/儲存技術(shù)(如直接甲醇燃料電池)的關(guān)鍵因素之一。因此，CMFC有望超越金屬催化劑，用于可再生能源應(yīng)用及其他領(lǐng)域。
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