ACS Catalysis 最新研究成果：单原子催化在能源与环境领域的应用案例
AI Insight
专栏作者
7.8k 阅读
25 评论
? 单原子催化在能源领域的创新突破
在能源危机和环境污染日益严峻的当下，单原子催化技术凭借其原子级别的精准调控能力，成为推动能源转型和环境治理的关键技术。ACS Catalysis 近期发表的多项研究成果，为单原子催化在能源与环境领域的应用提供了新的思路和解决方案。
在能源危机和环境污染日益严峻的当下，单原子催化技术凭借其原子级别的精准调控能力，成为推动能源转型和环境治理的关键技术。ACS Catalysis 近期发表的多项研究成果，为单原子催化在能源与环境领域的应用提供了新的思路和解决方案。
? 锌 - 空气电池：高效储能的新标杆
深圳大学赵伟研究员团队在 ACS Catalysis 上发表的研究成果，展示了单原子催化在锌 - 空气电池中的突破性应用。通过原子 - 界面调控技术，他们合成了氮 / 硫掺杂的多孔碳担载的铁 / 钴双位点单原子催化剂，显著提升了电池的循环充放电性能。这种催化剂的 ORR 半波电位达到 879mV，OER 过电位仅为 210mV（j=10mA/cm³），在实际应用中展现出超长的循环寿命和高能量密度。
关键优势：
关键优势：
- 协同双催化效应：Fe-(N₂S) 和 Co-(N₂S) 结构通过电荷转移和反应能垒降低，实现了高效的氧还原和析氧反应。
- 低成本与可持续性：碳材料载体和地球丰富金属的使用，大幅降低了催化剂成本，同时避免了贵金属依赖。
- 实际应用潜力：该研究为可充电锌 - 空气电池的商业化提供了技术支撑，有望在新能源汽车和储能系统中广泛应用。
? 光催化析氢：太阳能转化的新范式
吴骊珠院士团队在 ACS Catalysis 上报道的 S - 型异质结与单原子协同催化策略，为光催化制氢带来了新突破。他们通过一步球磨法制备了紫磷烯 / 硫化镉 / Pd 单原子光催化剂，实现了高效的电荷分离和质子吸附。在可见光照射下，该催化剂的产氢速率达到 82.5mmol h⁻¹ g⁻¹，比传统 CdS 纳米粒子提高了 54 倍，表观量子效率（AQE）达到 25.7%。
核心机制：
核心机制：
- S - 型异质结：促进光生电子 - 空穴对的定向迁移，减少复合损失。
- 单原子 Pd 的作用：优化质子吸附热力学，增强光吸收能力，同时作为电子传输通道加速电荷转移。
- 稳定性与可回收性：催化剂在循环使用中表现出优异的稳定性，为大规模太阳能制氢提供了可行性。
? 全解水：氢能生产的高效路径
华东师范大学王雪璐和姚叶锋团队设计的 Co 单原子 / PtCo 合金协同催化剂，在全解水反应中展现出卓越性能。该催化剂基于 g-C₃N₄纳米片，同时包含 Co 单原子和 PtCo 合金两种活性位点，分别承担析氢（HER）和析氧（OER）反应。在纯水系统中，其全解水效率达到 300.7μmol/h/g，循环 12 小时后性能无明显衰减。
技术亮点：
技术亮点：
- 双活性位点设计：Co 单原子高效裂解水分子，PtCo 合金促进 O₂生成，实现了协同催化。
- 原位表征与理论计算：通过原位 EPR、XPS 和 DFT 计算，揭示了反应路径和活性位点的动态演化。
- 高稳定性：C₃N₄纳米片的亲水性和多孔结构，确保了催化剂在长期反应中的稳定性。
? 环境治理：污染物降解的革新方案
单原子催化在环境领域的应用同样令人瞩目。中国科学技术大学团队开发的类芬顿铁单原子催化剂，在废水处理中表现出超快去污能力。通过数据驱动策略筛选高效催化位点，并结合聚合硬模板法精准调控微观结构，该催化剂在 1 分钟内即可去除磺胺类抗生素，循环稳定性和抗干扰性能优异。
技术创新：
单原子催化在环境领域的应用同样令人瞩目。中国科学技术大学团队开发的类芬顿铁单原子催化剂，在废水处理中表现出超快去污能力。通过数据驱动策略筛选高效催化位点，并结合聚合硬模板法精准调控微观结构，该催化剂在 1 分钟内即可去除磺胺类抗生素，循环稳定性和抗干扰性能优异。
技术创新：
- 数据驱动设计：高通量筛选和 DFT 计算加速了催化剂开发，降低了试错成本。
- 介孔结构优化：富含介孔的碳基底提高了传质效率，增强了污染物吸附和降解能力。
- 实际应用验证：在实际废水中的测试结果表明，该催化剂对多种有机污染物具有广谱降解能力。
? 工业应用：从实验室到规模化生产
单原子催化的工业化应用也取得了重要进展。大连化物所丁云杰团队开发的乙烯氢甲酰化单原子催化剂，已成功应用于 5 万吨 / 年正丙醇工业装置。该技术采用多相催化体系，贵金属原子利用率接近 100%，产品纯度高且催化剂可循环使用，显著降低了生产成本。
工业价值：
工业价值：
- 均相催化多相化：解决了传统均相催化剂分离困难和贵金属流失的问题。
- 节能与环保：反应中低品位热量的高效利用，减少了能源消耗和碳排放。
- 产品升级：生产的正丙醇可进一步转化为高附加值化学品，推动精细化工产业发展。
? 未来展望：挑战与机遇
尽管单原子催化已取得显著进展，但其大规模应用仍面临挑战。例如，催化剂的长期稳定性、合成成本控制以及复杂环境下的适应性等问题亟待解决。未来研究需聚焦以下方向：
- 新型载体开发：探索更高效的载体材料，如金属有机框架（MOFs）和二维材料，以增强单原子的锚定和电子调控。
- 多金属协同效应：设计双金属或多金属单原子催化剂，进一步提升反应活性和选择性。
- 原位表征技术：利用先进的同步辐射和原位光谱技术，深入解析反应机理和活性位点动态演化。
- 工业化集成：优化催化剂制备工艺，降低成本，推动单原子催化在能源和环境领域的规模化应用。
总结：ACS Catalysis 近期发表的研究成果，充分展示了单原子催化在能源与环境领域的巨大潜力。从高效储能到污染物降解，从实验室创新到工业应用，单原子催化正推动着催化技术的革新。随着研究的深入和技术的进步，这一领域有望为全球可持续发展提供关键支撑。
【该文章由dudu123.com嘟嘟 ai 导航整理，嘟嘟 AI 导航汇集全网优质网址资源和最新优质 AI 工具】
