第一作者：黃凱、張樂(lè)、徐婷

    通訊作者：伍暉、劉利民、張瀟源、葛炳輝

    通訊單位：清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、安徽大學(xué)

    研究亮點(diǎn)：

    1. 創(chuàng)造性地在60 °C低溫下通過(guò)溶液法合成了原子級(jí)分散鈷基催化劑。

    2. 制備策略具有良好的普適性，可有效調(diào)控溶液形核過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。

    3.  所制備的催化劑具有高活性、高穩(wěn)定性和高器件功率輸出。

    原子級(jí)分散催化劑的優(yōu)勢(shì)

    由于活性組分的高度分散、金屬利用效率的大幅度提升以及活性中心與相鄰配位原子相互作用，單原子催化劑或原子級(jí)分散金屬催化劑在諸如CO氧化反應(yīng)、有機(jī)加氫反應(yīng)和氧還原反應(yīng)等過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性、穩(wěn)定性和選擇性。因此，單原子催化劑或原子級(jí)分散金屬催化劑的有效合成及應(yīng)用，是近年來(lái)催化和材料研究領(lǐng)域非常重要的研究方向。

    溶液合成原子級(jí)分散催化劑的難點(diǎn)

    溶液合成作為制備金屬及其化合物等固體材料的制備方法，具體過(guò)程一般均涉及到原子級(jí)分散金屬基團(tuán)的快速產(chǎn)生、聚集、形核與生長(zhǎng)，從而嚴(yán)重限制了溶液中超細(xì)納米晶體甚至于原子級(jí)分散金屬的形成。因此，如何有效調(diào)控形核過(guò)程對(duì)于溶液合成原子級(jí)分散金屬催化劑就顯得尤為重要且頗具挑戰(zhàn)性。

    成果簡(jiǎn)介

    有鑒于此，清華大學(xué)伍暉課題組聯(lián)合北航劉利民課題組、清華大學(xué)張瀟源課題組和安徽大學(xué)葛炳輝課題組，創(chuàng)造性地在溶液體系中將反應(yīng)溫度降低至-60攝氏度，解決了溶液合成過(guò)程中的原子快速團(tuán)聚、形核和生長(zhǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題，獲得了具有高活性、高穩(wěn)定性和高器件功率輸出的原子級(jí)分散金屬鈷基的氧還原電催化劑，為大規(guī)模溶液合成原子級(jí)分散金屬催化劑提供了嶄新的研究思路。

圖1 零下六十?dāng)z氏度和室溫溶液合成中形核調(diào)控的對(duì)比示意圖

    要點(diǎn)1：制備要素

    1.  以水/乙醇作為溶劑，在-60°C條件下不會(huì)結(jié)冰凍住。

    2. 以水合肼作為還原劑。

    3. 適合于Co、Pt、Fe、Ag等多種金屬。

    4. 在-30至60℃則會(huì)不同程度地形成較多團(tuán)簇或納米顆粒。

    要點(diǎn)2：制備原理

    與傳統(tǒng)的微流控工程、表面活性劑調(diào)控以及模板法等研究策略不同，研究團(tuán)隊(duì)利用低溫溶液環(huán)境中顯著提高合成產(chǎn)物的形核勢(shì)壘，降低產(chǎn)物形核動(dòng)力學(xué)速率，實(shí)現(xiàn)了溶液合成策略中金屬原子形核過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)調(diào)控，提出了一種更加基礎(chǔ)和通用的低溫溶液合成穩(wěn)定的原子級(jí)分散金屬催化劑的策略 （圖1）。

    要點(diǎn)3：優(yōu)異的電化學(xué)性能

    低溫溶液合成并經(jīng)高溫活化穩(wěn)定的原子級(jí)分散金屬鈷基催化劑與傳統(tǒng)團(tuán)簇/納米顆粒催化劑和商業(yè)Pt/C相比，在中性（0.05 M PBS磷酸緩沖液）和堿性（0.1M KOH）的電解液環(huán)境中，都表現(xiàn)出顯著提高的氧還原催化活性和穩(wěn)定性。進(jìn)一步在微生物燃料電池器件應(yīng)用中，也表現(xiàn)出了遠(yuǎn)超前期文獻(xiàn)報(bào)道的功率密度（2550 ± 60 mW m-2）和長(zhǎng)達(dá)820小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行（圖2），能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水處理與高性能產(chǎn)電。

圖2 原子級(jí)分散金屬催化劑的微生物燃料電池性能

    小結(jié)

    總之，作者成功在？60 °C下通過(guò)液相法合成了高性能原子級(jí)分散金屬鈷催化劑。該低溫溶液合成不僅提出了一種在濕化學(xué)合成反應(yīng)過(guò)程中抑制產(chǎn)物形核生長(zhǎng)的通用方法，更為進(jìn)一步理解溶液反應(yīng)的形核熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、并利用傳統(tǒng)溶液化學(xué)方法制備高性能催化材料提供了新的可行性。

    參考文獻(xiàn)：

    Huang K, ZhangL, Xu T, et al. ?60 °C solution synthesis of atomically dispersed cobalt electrocatalyst with superiorperformance. Nature Communications, 2019.

    DOI:10.1038/s41467-019-08484-8

    https://www.nature.com/articles/s41467-019-08484-8#article-info

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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