二维材料限域单原子催化剂研究进展

doi:10.1016/S1872-2067(17)62839-0

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (9): 1443-1453.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62839-0

二维材料限域单原子催化剂研究进展

王勇^a,c, 张文华^b, 邓德会^a,c, 包信和^a

a 中国科学院大连化学物理研究所, 教育部能源材料化学协同创新中心, 催化基础国家重点实验室, 辽宁大连 116023;
b 中国工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心, 四川成都 610200;
c 厦门大学化学化工学院, 教育部能源材料化学协同创新中心, 固体表面物理化学国家重点实验室, 福建厦门 361005

收稿日期:2017-03-23 修回日期:2017-04-13 出版日期:2017-09-18 发布日期:2017-09-06
通讯作者: 邓德会, 包信和
基金资助:
科技部国家重点研发计划（2016YFA0204100，2016YFA0200200）；国家自然科学基金（21573220，21621063）；中国科学院前沿科学重点研究计划（QYZDB-SSW-JSC020）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA09030100）.

Two-dimensional materials confining single atoms for catalysis

Yong Wang^a,c, Wenhua Zhang^b, Dehui Deng^a,c, Xinhe Bao^a

Received:2017-03-23 Revised:2017-04-13 Online:2017-09-18 Published:2017-09-06
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62839-0
Supported by:
We gratefully acknowledge the financial support from the Ministry of Science and Technology of China (2016YFA0204100, 2016YFA0200200), the National Natural Science Foundation of China (21573220, 21621063), the Key Research Program of Frontier Sciences of the Chinese Academy of Sciences (QYZDB-SSW-JSC020), and the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA09030100).

摘要/Abstract

摘要：

近年来，单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前，多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂，包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能，因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质，并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.
二维材料兴起于石墨烯的成功剥离，随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂，其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下：（1）二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用，使其催化性能更为独特；（2）二维材料通常具有巨大的比表面积，这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度；（3）单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点，增加碰撞几率并降低传质阻力；（4）二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂，其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究；（5）二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.
在这里，我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展，其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论，进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.

关键词: 二维材料, 单原子催化剂, 石墨烯, 石墨烯类似物, 氮化碳, 硫化钼

王勇, 张文华, 邓德会, 包信和. 二维材料限域单原子催化剂研究进展[J]. 催化学报, 2017, 38(9): 1443-1453.

Yong Wang, Wenhua Zhang, Dehui Deng, Xinhe Bao. Two-dimensional materials confining single atoms for catalysis[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(9): 1443-1453.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62839-0

https://www.cjcatal.com/CN/Y2017/V38/I9/1443

参考文献

[1] B. K. Burgess, D. J. Lowe, Chem. Rev., 1996, 96, 2983-3011.
[2] W. Nam, Acc. Chem. Res., 2007, 40, 522-531.
[3] J. R. Black, Q. Z. Yin, J. R. Rustad, W. H. Casey, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 8690-8691.
[4] M. Flytzani-Stephanopoulos, B. C. Gates, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng., 2012, 3, 545-574.
[5] J. M. Thomas, R. Raja, D. W. Lewis, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 6456-6482.
[6] J. M. Thomas, Z. Saghi, P. L. Gai, Top. Catal., 2011, 54, 588-594.
[7] B. T. Qiao, A. Q. Wang, X. F. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. T. Cui, J. Y. Liu, J. Li, T. Zhang, Nat. Chem., 2011, 3, 634-641.
[8] X. F. Yang, A. Q. Wang, B. T. Qiao, J. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748.
[9] J. Liu, ACS Catal., 2016, 7, 34-59.
[10] X. G. Guo, G. Z. Fang, G. Li, H. Ma, H. J. Fan, L. Yu, C. Ma, X. Wu, D. H. Deng, M. M. Wei, D. L. Tan, R. Si, S. Zhang, J. Q. Li, L. T. Sun, Z. C. Tang, X. L. Pan, X. H. Bao, Science, 2014, 344, 616-619.
[11] P. X. Liu, Y. Zhao, R. X. Qin, S. G. Mo, G. X. Chen, L. Gu, D. M. Chevrier, P. Zhang, Q. Guo, D. D. Zang, B. H. Wu, G. Fu, N. F. Zheng, Science, 2016, 352, 797-801.
[12] J. Jones, H. F. Xiong, A. T. Delariva, E. J. Peterson, H. Pham, S. R. Challa, G. S. Qi, S. Oh, M. H. Wiebenga, X. I. P. Hernandez, Y. Wang, A. K. Datye, Science, 2016, 353, 150-154.
[13] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science, 2004, 306, 666-669.
[14] K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, A. K. Geim, P. Natl. Acad. Sci. USA, 2005, 102, 10451-10453.
[15] A. K. Geim, I. V. Grigorieva, Nature, 2013, 499, 419-425.
[16] M. S. Xu, T. Liang, M. M. Shi, H. Z. Chen, Chem. Rev., 2013, 113, 3766-3798.
[17] D. Deng, K. S. Novoselov, Q. Fu, N. Zheng, Z. Tian, X. Bao, Nat. Nan-otechnol., 2016, 11, 218-230.
[18] S. Back, J. Lim, N. Y. Kim, Y. H. Kim, Y. Jung, Chem. Sci., 2017, 8, 1090-1096
[19] J. Duan, S. Chen, M. Jaroniec, S. Z. Qiao, ACS Catal., 2015, 5, 5207-5234.
[20] L. K. Putri, W. J. Ong, W. S. Chang, S. P. Chai, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 2-14.
[21] H. Wang, T. Maiyalagan, X. Wang, ACS Catal. 2012, 2, 781-794.
[22] D. Deng, X. Pan, L. Yu, Y. Cui, Y. Jiang, J. Qi, W. X. Li, Q. Fu, X. Ma, Q. Xue, G. Sun, X. Bao, Chem. Mater., 2011, 23, 1188-1193.
[23] L. Y. Zhao, R. He, K. T. Rim, T. Schiros, K. S. Kim, H. Zhou, C. Gutierrez, S. P. Chockalingam, C. J. Arguello, L. Palova, D. Nordlund, M. S. Hybertsen, D. R. Reichman, T. F. Heinz, P. Kim, A. Pinczuk, G. W. Flynn, A. N. Pasupathy, Science, 2011, 333, 999-1003.
[24] S. Sun, G. Zhang, N. Gauquelin, N. Chen, J. Zhou, S. Yang, W. Chen, X. Meng, D. Geng, M. N. Banis, R. Li, S. Ye, S. Knights, G. A. Botton, T. K. Sham, X. Sun, Sci. Rep., 2013, 3, 1775-1783.
[25] S. Stambula, N. Gauquelin, M. Bugnet, S. Gorantla, S. Turner, S. Sun, J. Liu, G. Zhang, X. Sun, G. A. Botton, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 3890-3900.
[26] N. Cheng, S. Stambula, D. Wang, M. N. Banis, J. Liu, A. Riese, B. Xiao, R. Li, T. K. Sham, L. M. Liu, G. A. Botton, X. Sun, Nat. Commun., 2016, 7, 13638.
[27] H. Wang, Q. Wang, Y. Cheng, K. Li, Y. Yao, Q. Zhang, C. Dong, P. Wang, U. Schwingenschlogl, W. Yang, X. X. Zhang, Nano Lett., 2012, 12, 141-144.
[28] H. Yan, H. Cheng, H. Yi, Y. Lin, T. Yao, C. Wang, J. Li, S. Wei, J. Lu, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10484-10487.
[29] H. J. Qiu, Y. Ito, W. Cong, Y. Tan, P. Liu, A. Hirata, T. Fujita, Z. Tang, M. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14031-14035.
[30] L. Zhang, A. Wang, W. Wang, Y. Huang, X. Liu, S. Miao, J. Liu, T. Zhang, ACS Catal., 2015, 5, 6563-6572.
[31] H. Fei, J. Dong, M. J. Arellano-Jimenez, G. Ye, N. D. Kim, E. L. Samuel, Z. Peng, Z. Zhu, F. Qin, J. Bao, M. J. Yacaman, P. M. Ajayan, D. Chen, J. M. Tour, Nat. Commun., 2015, 6, 8668.
[32] D. A. Bulushev, M. Zacharska, E. V. Shlyakhova, A. L. Chuvilin, Y. Guo, S. Beloshapkin, A. V. Okotrub, L. G. Bulusheva, ACS Catal., 2016, 6, 681-691.
[33] D. A. Bulushev, M. Zacharska, A. S. Lisitsyn, O. Y. Podyacheva, F. S. Hage, Q. M. Ramasse, U. Bangert, L. G. Bulusheva, ACS Catal., 2016, 6, 3442-3451.
[34] M. Lefevre, E. Proietti, F. Jaouen, J. P. Dodelet, Science, 2009, 324, 71-74.
[35] H. Wu, H. Li, X. Zhao, Q. Liu, J. Wang, J. Xiao, S. Xie, R. Si, F. Yang, S. Miao, X. Guo, G. Wang, X. Bao, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3736-3745.
[36] X. D. Yang, Y. P. Zheng, J. Yang, W. Shi, J. H. Zhong, C. K. Zhang, X. Zhang, Y. H. Hong, X. X. Peng, Z. Y. Zhou, S. G. Sun, ACS Catal., 2017, 7, 139-145.
[37] W. Liu, L. Zhang, W. Yan, X. Liu, X. Yang, S. Miao, W. Wang, A. Wang, T. Zhang, Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764.
[38] D. Deng, X. Chen, L. Yu, X. Wu, Q. Liu, Y. Liu, H. Yang, H. Tian, Y. Hu, P. Du, R. Si, J. Wang, X. Cui, H. Li, J. Xiao, T. Xu, J. Deng, F. Yang, P. N. Duchesne, P. Zhang, J. Zhou, L. Sun, J. Li, X. Pan, X. Bao, Sci. Adv., 2015, 1, e1500462/1-e1500462/9.
[39] Q. Liu, Y. Liu, H. Li, L. Li, D. Deng, F. Yang, X. Bao, Appl. Surf. Sci., 2017, 410, 111-116.
[40] X. Chen, L. Yu, S. Wang, D. Deng, X. Bao, Nano Energy, 2017, 32, 353-358.
[41] X. Cui, J. Xiao, Y. Wu, P. Du, R. Si, H. Yang, H. Tian, J. Li, W. H. Zhang, D. Deng, X. Bao, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 6708-6712.
[42] C. H. Choi, M. Kim, H. C. Kwon, S. J. Cho, S. Yun, H. T. Kim, K. J. Mayrhofer, H. Kim, M. Choi, Nat. Commun., 2016, 7, 10922.
[43] A. Thomas, A. Fischer, F. Goettmann, M. Antonietti, J. O. Muller, R. Schlogl, J. M. Carlsson, J. Mater. Chem., 2008, 18, 4893-4908.
[44] X. C. Wang, S. Blechert, M. Antonietti, ACS Catal., 2012, 2, 1596-1606.
[45] Y. Zheng, L. H. Lin, B. Wang, X. C. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 12868-12884.
[46] Y. Wang, X. C. Wang, M. Antonietti, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 68-89.
[47] J. Liu, H. Q. Wang, M. Antonietti, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 2308-2326.
[48] J. S. Zhang, Y. Chen, X. C. Wang, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3092-3108.
[49] G. Vile, D. Albani, M. Nachtegaal, Z. Chen, D. Dontsova, M. Antoniet-ti, N. Lopez, J. Perez-Ramirez, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11265-11269.
[50] Z. Chen, S. Pronkin, T. P. Fellinger, K. Kailasam, G. Vile, D. Albani, F. Krumeich, R. Leary, J. Barnard, J. M. Thomas, J. Perez-Ramirez, M. Antonietti, D. Dontsova, ACS Nano, 2016, 10, 3166-3175.
[51] X. Li, W. Bi, L. Zhang, S. Tao, W. Chu, Q. Zhang, Y. Luo, C. Wu, Y. Xie, Adv. Mater., 2016, 28, 2427-2431.
[52] Z. Chen, S. Mitchell, E. Vorobyeva, R. K. Leary, R. Hauert, T. Furni-val, Q. M. Ramasse, J. M. Thomas, P. A. Midgley, D. Dontsova, M. Antonietti, S. Pogodin, N. López, J. Pérez-Ramírez, Adv. Funct. Ma-ter., 2017, 27, 1605785.
[53] F. He, K. Li, C. Yin, Y. Wang, H. Tang, Z. Wu, Carbon, 2017, 114, 619-627.
[54] X. Li, P. Cui, W. Zhong, J. Li, X. Wang, Z. Wang, J. Jiang, Chem. Com-mun., 2016, 52, 13233-13236.
[55] G. Gao, Y. Jiao, E. R. Waclawik, A. Du, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6292-6297.
[56] P. G. Moses, B. Hinnemann, H. Topsoe, J. K. Norskov, J. Catal., 2007, 248, 188-203.
[57] S. Zaman, K. J. Smith, Catal. Rev., 2012, 54, 41-132.
[58] T. F. Jaramillo, K. P. Jorgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, Science, 2007, 317, 100-102.
[59] J. Deng, H. Li, J. Xiao, Y. Tu, D. Deng, H. Yang, H. Tian, J. Li, P. Ren, X. Bao, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594-1601.
[60] J. Deng, H. Li, S. Wang, D. Ding, M. Chen, C. Liu, Z. Tian, K. S. Novo-selov, C. Ma, D. Deng, X. Bao, Nat. Commun., 2017, 8, 14430.
[61] J. V. Lauritsen, F. Besenbacher, J. Catal., 2015, 328, 49-58.
[62] S. S. Grønborg, M. Šaric, P. G. Moses, J. Rossmeisl, J. V. Lauritsen, J. Catal., 2016, 344, 121-128.
[63] M. Taborga Claure, S.-H. Chai, S. Dai, K. A. Unocic, F. M. Alamgir, P. K. Agrawal, C. W. Jones, J. Catal., 2015, 324, 88-97.
[64] V. S. Dorokhov, E. A. Permyakov, P. A. Nikulshin, V. V. Maximov, V. M. Kogan, J. Catal., 2016, 344, 841-853.
[65] J. Mahmood, E. K. Lee, M. Jung, D. Shin, I. Y. Jeon, S. M. Jung, H. J. Choi, J. M. Seo, S. Y. Bae, S. D. Sohn, N. Park, J. H. Oh, H. J. Shin, J. B. Baek, Nat. Commun., 2015, 6, 6486.
[66] J. Mahmood, F. Li, S. M. Jung, M. S. Okyay, I. Ahmad, S. J. Kim, N. Park, H. Y. Jeong, J. B. Baek, Nat. Nanotechnol., 2017, 12, 441-446.
[67] S. Ida, N. Kim, E. Ertekin, S. Takenaka, T. Ishihara, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 239-244.
[68] Y. Zhu, Z. An, J. He, J. Catal., 2016, 341, 44-54.
[69] B. C. Gates, J. Catal., 2015, 328, 72-74.
[70] B. T. Qiao, J. X. Liang, A. Q. Wang, J. Y. Liu, T. Zhang, Chin. J. Catal. 2016, 37, 1580-1587.
[71] C. Li, Chin. J. Catal. 2016, 37, 1443-1445.

二维材料限域单原子催化剂研究进展

Two-dimensional materials confining single atoms for catalysis

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	唐小龙, 李锋, 李方, 江燕斌, 余长林. 单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 79-98.
[2]	张季, 俞爱民, 孙成华. 非金属掺杂石墨烯异核双原子催化剂氮还原特性研究[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 263-270.
[3]	胡金念, 田玲婵, 王海燕, 孟洋, 梁锦霞, 朱纯, 李隽. MXene负载3d金属单原子高效氮还原电催化剂的理论筛选[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 252-262.
[4]	王思恺, 闵祥婷, 乔波涛, 颜宁, 张涛. 单原子催化: 追寻催化领域的“圣杯”[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 1-13.
[5]	赵磊, 张震, 朱昭昭, 李平波, 蒋金霞, 杨婷婷, 熊佩, 安旭光, 牛晓滨, 齐学强, 陈俊松, 吴睿. 缺陷氮掺杂碳耦合Co-N₅单原子位点用于高效锌-空气电池[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 216-224.
[6]	李嘉明, 李源, 王小田, 杨直雄, 张高科. TiO₂上原子分散的Fe位点促进光催化CO₂还原: 增强的催化活性、 DFT计算和机制洞察[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 145-156.
[7]	贡立圆, 王颖, 刘杰, 王显, 李阳, 侯帅, 武志坚, 金钊, 刘长鹏, 邢巍, 葛君杰. 重塑位于火山曲线右支的弱吸附金属单原子位点的配位环境及电子结构[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 352-360.
[8]	Sang Eon Jun, Sungkyun Choi, Jaehyun Kim, Ki Chang Kwon, Sun Hwa Park, Ho Won Jang. 用于电化学能量转换反应的非贵金属单原子催化剂[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 195-214.
[9]	姜润, 乔泽龙, 许昊翔, 曹达鹏. 用于氧还原反应的Fe-N-C单原子催化剂的缺陷工程[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 224-234.
[10]	杜乘风, 胡尔海, 余泓, 颜清宇. 二维电催化剂的局域电子调控策略[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 1-14.
[11]	黄正清, 贺姝玥, 班涛, 高新, 许云华, 常春然. Pt-Cu合金催化剂上甲烷无氧偶联的机理与微观动力学研究: 从单原子位点到单团簇位点[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 90-100.
[12]	韦之栋, 严嘉玮, 郭伟琦, 上官文峰. 多面体SrTiO₃原位生长N缺陷PCN中的纳米叠层效应助力光催化完全分解水: 内建电场调控的协同机制[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 279-289.
[13]	Sue-Faye Ng, 陈星竹, Joel Jie Foo, 熊墨, Wee-Jun Ong. 2D氮化碳: 通过调节非金属硼掺杂C₃N₅阐明宽酸性及碱性pH范围的光催化析氢的反应机理[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 150-160.
[14]	詹麒尼, 帅婷玉, 徐慧民, 黄陈金, 张志杰, 李高仁. 单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 32-66.
[15]	Eun Hyup Kim, Min Hee Lee, Jeehye Kim, Eun Cheol Ra, Ju Hyeong Lee, Jae Sung Lee. 无碱CO₂加氢高效制甲酸Pd/g-C₃N₄催化剂的单原子和纳米簇的协同作用[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 214-221.