基于限域特性的电催化剂调控

郑堂飞 蒋金霞 王健 胡素芳 丁炜 魏子栋

引用本文: 郑堂飞, 蒋金霞, 王健, 胡素芳, 丁炜, 魏子栋. 基于限域特性的电催化剂调控[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11): 2011027-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011027 shu
Citation:  Zheng Tangfei, Jiang Jinxia, Wang Jian, Hu Sufang, Ding Wei, Wei Zidong. Regulation of Electrocatalysts Based on Confinement-Induced Properties[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(11): 2011027-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011027 shu

基于限域特性的电催化剂调控

    作者简介:



    丁炜,1986年生,国家优秀青年基金获得者,重庆市杰青基金获得者,重庆市青年拔尖人才,博导。2014年于重庆大学获得博士学位。主要从事电化学催化,燃料电池,新能源技术方面的研究;
    魏子栋,1963年生,教育部长江学者特聘教授,博导,重庆大学化学化工学院院长。1994年于天津大学获得博士学位。主要从事电化学催化,燃料电池,新能源技术方面的研究;
    通讯作者: 丁炜, dingwei128@cqu.edu.cn; 魏子栋, zdwei@cqu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(22022502, 21776024), 重庆市自然科学基金杰出青年基金(cstc2020jcy jjqX0013)和重庆市青年创新拔尖人才计划(02200011130003)资助项目

摘要: 开发高效催化剂是促进包括电能源、碳循环等洁净新能源技术发展的关键。这些新型物质能源转换过程往往涉及光子、电子、质子等量子尺度的粒子转换,而常规纳米尺度催化剂调控策略已略显困难。原子分子尺度的限域空间带来的强相互作用、强分子碰撞,一方面增加了反应几率,另一方面显著影响了内部分子/原子的电子结构。更为重要的是,限域空间赋予了内部物质不同于开放体系下的特性。这些限域特性在调控催化剂上展现出巨大优势。本文从限域角度出发,综述利用原子、分子尺度限域特性对电催化剂分子构型、配位结构、电荷转移填充、介观调控、催化剂表面能量场的调控机制与方法,以及在燃料电池、物质能源转换方面的应用和未来发展方向的展望。

English

    1. [1]

      杨晓东, 陈驰, 周志有, 孙世刚.物理化学学报, 2019, 35, 472. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806131Yang, X. D.; Chen, C.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 472. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806131

    2. [2]

      李蒙刚, 夏仲弘, 黄雅荣, 陶璐, 晁玉广, 尹坤, 杨文秀, 杨微微, 于永生, 郭少军.物理化学学报, 2020, 36, 1912049. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912049Li, M. G.; Xia, Z. H.; Huang, Y. R.; Tao, L.; Chao, Y. G.; Yin, K.; Yang, W. X.; Yang, W. W.; Yu, Y. S.; Guo, S. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1912049. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912049

    3. [3]

      Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. M. Science 2011, 334, 928. doi: 10.1126/science.1212741

    4. [4]

      Xue, S.; Deng, W.; Yang, F.; Yang, J.; Amiinu, I. S.; He, D.; Tang, H.; Mu, S. ACS Catal. 2018, 8, 75. doi: 10.1021/acscatal.8b00366

    5. [5]

      Devrim, Y.; Pehlivanoğlu, K. Phys. Status Solidi A 2015, 12, 1256. doi: 10.1002/pssc.201510091

    6. [6]

      Nelson, D. B.; Nehrir, M. H.; Wang, C. Renew Energy 2006, 31, 1641. doi: 10.1016/j.renene.2005.08.031

    7. [7]

      Zhang, H.; Chang, X.; Chen, J. G.; Goddard, W. A.; Xu, B.; Cheng, M. J.; Lu, Q. Nat. Commun. 2019, 10, 3340. doi: 10.1038/s41467-019-11292-9

    8. [8]

      Chu, W.; Zheng, Q.; Prezhdo, O. V.; Zhao, J. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3214. doi: 10.1021/jacs.9b13280

    9. [9]

      Yao, Y.; Wang, H.; Yuan, X. Z.; Li, H.; Shao, M. ACS Energy Lett. 2019, 4, 1336. doi: 10.1021/acsenergylett.9b00699

    10. [10]

      Liu, Y.; Li, Q.; Guo, X.; Kong, X.; Ke, J.; Chi, M.; Li, Q.; Geng, Z.; Zeng, J. Adv. Mater. 2020, 32, e1907690. doi: 10.1002/adma.201907690

    11. [11]

      Li, X.; Xie, J.; Rao, H.; Wang, C.; Tang, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19702. doi: 10.1002/anie.202007557

    12. [12]

      Zhong, R. L.; Sakaki, S. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16732. doi: 10.1021/jacs.0c07239

    13. [13]

      Zhao, T.; Hu, Y.; Gong, M.; Lin, R.; Deng, S.; Lu, Y.; Liu, X.; Chen, Y.; Shen, T.; Hu, Y.; et al. Nano Energy 2020, 74, 104877. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104877

    14. [14]

      Li, J.; Ghoshal, S.; Bates, M. K.; Miller, T. E.; Davies, V.; Stavitski, E.; Attenkofer, K.; Mukerjee, S.; Ma, Z. F.; Jia, Q.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15594. doi: 10.1002/anie.201708484

    15. [15]

      Zhong, L.; Li, S. ACS Catal. 2020, 10, 4313. doi: 10.1021/acscatal.0c00815

    16. [16]

      Liu, Z.; Zhao, Z.; Peng, B.; Duan, X.; Huang, Y. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 17812. doi: 10.1021/jacs.0c07696

    17. [17]

      McLoughlin, E. A.; Armstrong, K. C.; Waymouth, R. M. ACS Catal. 2020, 10, 11654. doi: 10.1021/acscatal.0c03240

    18. [18]

      Zhang. J.; Liu, X.; Xing, A.; Liu, J. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 2758. doi: 10.1021/acsaem.8b00420

    19. [19]

      Xiao, Y. Q.; Feng, C.; Fu, J.; Wang, F. Z.; Li, C. L.; Kunzelmann, V. F.; Jiang, C. M.; Nakabayashi, M.; Shibata, N.; Sharp, I. D.; et al. Nat. Catal. 2020, 3, 932. doi: 10.1038/s41929-020-00522-9

    20. [20]

      Yang, J. Wang, Z.; Jiang, J.; Chen, W.; Liao, F.; Ge, X.; Zhou, X.; Chen, M.; Li, R.; Xue, Z.; et al. Nano Energy 2020, 76, 105059. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105059

    21. [21]

      Zhou, S.; Yang, X.; Xu, X.; Dou, S. X.; Du, Y.; Zhao, J. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 308. doi: 10.1021/jacs.9b10588

    22. [22]

      Wu, Y.; Cai, J.; Xie, Y. Adv. Mater. 2020, 32, e1904346. doi: 10.1002/adma.201904346

    23. [23]

      Lien, H. T.; Chang, S.; Chen, P.; Wong, D.; Chang, Y.; Lu, Y.; Dong, C.; Wang, C.; Chen, K.; Chen, L. Nat. Commun. 2020, 11, 4233. doi: 10.1038/s41467-020-17975-y

    24. [24]

      Garner, M.; Li, H.; Chen, Y.; Su, T.; Shangguan, Z.; Paley, D. W.; Liu, T.; Ng, F.; Li, H.; Xiao, S.; et al. Nature 2018, 558, 415. doi: 10.1038/s41586-018-0197-9

    25. [25]

      Eric G; D.; Jean-Marie A.; Amand A. L. J. Catal. 1988, 110, 58. doi: 10.1016/0021-9517(88)90297-7

    26. [26]

      Jeong, H. M.; Kwon, Y.; Won, J. H.; Lum, Y.; Cheng, M. J.; Kim, K. H.; Head Gordon, M.; Kang, J. K. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903423. doi: 10.1002/aenm.201903423

    27. [27]

      Yang, W.; Wang, H.; Liu, R.; Wang, J.; Zhang, C.; Li, C.; Zhong, D.; Lu, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, doi: 10.1002/anie.202011068

    28. [28]

      Li, T.; Zhong, W.; Jing, C.; Li, X.; Zhang, T.; Jiang, C.; Chen, W. Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 8658. doi: 10.1021/acs.est.9b07473

    29. [29]

      Jiang, L.; Liu, K.; Hung, S.; Zhou, L.; Qin, R.; Zhang, Q.; Liu, P.; Gu, L.; Chen, H.; Fu, G.; Zheng, N. Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 848. doi: 10.1038/s41565-020-0746-x

    30. [30]

      Pan, X.; Fan, L.; Chen, W.; Ding, J.; Luo, Y.; Bao, X. Nat. Mater. 2007, 6, 507. doi: 10.1038/nmat1916

    31. [31]

      Pan, X.; Bao, X. Acc. Chem. Res. 2011, 44, 553. doi: 10.1021/ar100160t

    32. [32]

      Deng, D.; Yu, L.; Chen, X.; Wang, G.; Jin, L.; Pan, X.; Deng, J.; Sun, G.; Bao, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 371. doi: 10.1002/anie.201204958

    33. [33]

      Guan, J.; Pan, X.; Liu, X.; Bao, X. J. Phys. Chem. C. 2009, 113, 21687. doi: 10.1021/jp906092c

    34. [34]

      Jiao, F.; Li, J.; Pan, X.; Xiao, J.; Li, H.; Ma, H.; Wei, M.; Pan, Y.; Zhou, Z.; Bao, X.; et al. Science 2016, 351, 1065. doi: 10.1126/science.aaf1835

    35. [35]

      包信和.科学通报, 2018, 63, 1266. doi: 10.1360/N972018-00441Bao, X. H. Chin. Sci. Bull. 2018, 63, 1266. doi: 10.1360/N972018-00441

    36. [36]

      包信和.中国科学(化学), 2012, 42, 355. doi: 10.1360/032012-130Bao, X. H. Sci. China Chem. 2012, 42, 355. doi: 10.1360/032012-130

    37. [37]

      Fu, Q.; Li, W.; Yao, Y.; Liu, H.; Su, H.; Ma, D.; Gu, X. K.; Chen, L.; Wang, Z.; Zhang, H. Science 2010, 328, 1141. doi: 10.1126/science.1188267

    38. [38]

      Klein J.; Kumacheva, E. Science 1995, 269, 816. doi: 10.1126/science.269.5225.816

    39. [39]

      Heuberger, M. Science 2001, 292, 905. doi: 10.1126/science.1058573

    40. [40]

      Gersappe, D.; Zhu, S.; Liu, Y.; Rafailovich, M. H.; Sokolov, J.; Winesett, D. A.; Ade, H. Nature 1999, 400, 49. doi: 10.1038/21854

    41. [41]

      Fumagalli, L.; Esfandiar, A.; Fabregas, R.; Hu, S.; Ares, P.; Janardanan, A.; Watanabe, K.; Gomila, G.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; et al. Science 2018, 360, 1339. doi: 10.1126/science.aat4191

    42. [42]

      Corma, A.; García, H.; Sastre, G.; Viruela, P. M. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4575. doi: 10.1021/jp9622593

    43. [43]

      Wang, L.; Zhu, Y.; Wang, J.; Liu, F.; Huang, J.; Meng, X.; Basset, J. M.; Han, Y.; Xiao, F. S. Nat. Commun. 2015, 6, 6957. doi: 10.1038/ncomms7957

    44. [44]

      Mostafa Moujahid, E.; Besse, J. P.; Leroux, F. J. Mater. Chem. 2002, 12, 3324. doi: 10.1039/B205837P

    45. [45]

      Yuan, K.; Zhuang, X.; Fu, H.; Brunklaus, G.; Forster, M.; Chen, Y.; Feng, X.; Scherf, U. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6858. doi: 10.1002/anie.201600850

    46. [46]

      Xu, S.; Ren, Z.; Liu, X.; Liang, X.; Wang, K.; Chen, J. Energy Stor. Mater. 2018, 15, 291. doi: 10.1016/j.ensm.2018.05.015

    47. [47]

      Ding, W.; Wei, Z.; Chen, S.; Qi, X.; Yang, T.; Hu, J.; Wang, D.; Wan, L. J.; Alvi, S. F.; Li, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 11755. doi: 10.1002/anie.201303924

    48. [48]

      Li, W.; Ding, W.; Wu, G.; Liao, J.; Yao, N.; Qi, X.; Li, L.; Chen, S.; Wei, Z. Chem. Eng. Sci. 2015, 135, 45. doi: 10.1016/j.ces.2015.07.008

    49. [49]

      Wang, H.; Yang, N.; Li, W.; Ding, W.; Chen, K.; Li, J.; Li, L.; Wang, J.; Jiang, J.; Wei, Z.; et al. ACS Energy Lett. 2018, 3, 1345. doi: 10.1021/acsenergylett.8b00522

    50. [50]

      Zhu, H.; Xiao, C.; Cheng, H.; Grote, F.; Zhang, X.; Yao, T.; Li, Z.; Wei, S.; Lei, Y.; Xie, Y.; et al. Nat. Commun. 2014, 5, 3960. doi: 10.1038/ncomms4960

    51. [51]

      Li, Y.; Wang, Y.; Lu, J.; Yang, B.; San, X.; Wu, Z. Nano Energy 2020, 78, 105185. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105185

    52. [52]

      Zeng, Z.; Su, Y.; Quan, X.; Choi, W.; Zhang, G.; Liu, N.; Kim, B.; Chen, S.; Yu, H.; Zhang, S. Nano Energy 2020, 69, 104409. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104409

    53. [53]

      Jiang, J.; Ding, W.; Li, W.; Wei, Z. Chem 2019, 6, 431. doi: 10.1016/j.chempr.2019.11.003

    54. [54]

      Ding, W.; Li, L.; Xiong, K.; Wang, Y.; Li, W.; Nie, Y.; Chen, S.; Qi, X.; Wei, Z. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 5414. doi: 10.1021/jacs.5b00292

    55. [55]

      Li, W.; Ding, W.; Jiang, J.; He, Q.; Tao, S.; Wang, W.; Li, J.; Wei, Z. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 878. doi: 10.1039/C7TA09435C

    56. [56]

      Li, J.; Chen, S.; Li, W.; Wu, R.; Ibraheem, S.; Li, J.; Ding, W.; Li, L.; Wei, Z. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 15504. doi: 10.1039/C8TA05419C

    57. [57]

      Li, X.; Guan, B. Y.; Gao, S.; Lou, X. W. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 648. doi: 10.1039/C8EE02779J

    58. [58]

      Najam, T.; Shah, S. S. A.; Ding, W.; Jiang, J.; Jia, L.; Yao, W.; Li, L.; Wei, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15101. doi: 10.1002/anie.201808383

    59. [59]

      Wu, G.; Wang, J.; Ding, W.; Nie, Y.; Li, L.; Qi, X.; Chen, S.; Wei, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1340. doi: 10.1002/anie.201508809

    60. [60]

      Zhou, Y.; Xie, Z.; Jiang, J.; Wang, J.; Song, X.; He, Q.; Ding, W.; Wei, Z. Nat. Catal. 2020, 3, 454. doi: 10.1038/s41929-020-0446-9

    61. [61]

      Jiang, J.; Tao, S.; He, Q.; Wang, J.; Zhou, Y.; Xie, Z.; Ding, W.; Wei, Z. J. Mater. Chem. A 2020, 20, 10168. doi: 10.1039/D0TA02528C

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  42
  • HTML全文浏览量:  4
文章相关
  • 发布日期:  2021-11-15
  • 收稿日期:  2020-11-06
  • 接受日期:  2020-11-30
  • 修回日期:  2020-11-29
  • 网络出版日期:  2020-12-07
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章