基于生物质材料的金属单原子催化剂的可控合成及电催化析氢性能研究

Metallic single-atom catalysts are considered as a kind of novel heterogeneous catalytic materials with the maximum atom utilization and unique properties. At present, the controllable preparation of metallic single-atom catalysts is still a great challenge in inorganic synthesis chemistry. This project is proposed to develop a strategy to prepare metallic single-atom materials (Fe, Co, Ni, etc.) with high catalytic performance, based on the use of biomass materials (such as chitosan, cellulose, silk fibroin, etc.) and suitable metal precursors. Electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) will be selected to evaluate the catalytic performances of the as-prepared single-atom catalysts, exploring the potential applications in Electrocatalytic water splitting. By the employing of synchrotron-radiation-based XAFS method, the physical and chemical nature of single-atom catalysis will be revealed. This project is of significance to develop the synthesis methodology and explore the catalytic mechanism of metallic single-atom materials.

金属单原子催化剂被认为是原子利用率最高、具有奇异特性的一类新型异相催化材料。目前，金属单原子催化剂的可控合成仍然是无机合成化学中富有挑战性的课题。本项目拟采用壳聚糖、纤维素以及丝素蛋白等生物质材料为原料，选择合适的金属前驱体，探索发展具有优异催化性能的金属单原子催化剂（Fe、Co、Ni等）的合成方法；选取电催化析氢（HER）反应对所合成的单原子催化剂的催化性能进行评价，探索合成的金属单原子催化剂在电解水方面的潜在应用，并通过基于同步辐射的X-射线吸收谱学手段揭示金属单原子催化的物理化学本质。本项目对金属单原子催化剂的合成方法学及单原子催化机理的研究具有重要意义。

项目背景： .金属单原子催化剂被认为是原子利用率最高、具有奇异特性的一类新型异相催化材料。目前，催化剂的可控合成仍然是富有挑战性的课题。研究发现，载体或前驱体的选择在金属单原子催化剂的制备过程中起到关键作用。.生物质材料以其独特的结构在金属单原子催化剂的制备方面具有潜在的优势，可以作为优良的载体或前驱体，通过还原或热解等过程得到高金属负载量、高稳定性的单原子催化剂，且符合绿色合成的路线。因此，基于生物质材料的金属单原子催化剂的制备、表征和催化性能研究具有重要的理论与实际意义。..研究内容：.本项目采用自然界中广泛存在的生物质材料（壳聚糖、纤维素及丝素蛋白等）为原料，发展适用于 Fe、Co、Ni 这些非贵金属单原子催化剂的合成方法，对所得金属单原子催化剂的电化学性能进行研究，并通过XAFS谱学方法对相关反应机理进行探讨。研究内容主要分为催化剂的可控合成、性能测试和机理研究三个部分。..重要结果：.在本项目中，我们利用壳聚糖等，结合金属前驱体，制备出了具有优良催化性能的金属单原子催化剂。在此基础上，对其HER电催化的活性及稳定性等进行分析。同时，结合同步辐射XAFS技术以及DFT计算等对催化剂中金属原子与载体的相互作用机制进行研究。此外，还合成了Cu和主族金属In、Sb的金属单原子催化剂，并探索了它们在其他催化领域如ORR、CO2RR等方面的应用。..关键数据：.Co-N-Ni/NPCNSs催化剂在370mV的低过电位下的TOF为2049h-1，FECO为96.4%。（Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3019）.新型的In单原子催化剂催化二氧化碳高效电还原为甲酸。在0.95V下的TOF高达12500h-1，在低电位为0.65V时，FE为96%，电流密度为8.87mAcm-2。（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22465-22469.）.Cu-SA/SNC催化剂在碱性介质中ORR的半波电位为E1/2= 0.893 V（Energy. Environ. Sci.2019, 12, 3508-3514.）..科学意义：.在本项目基金的支持下，受资助人在原子级金属催化剂研究领域取得了十分有价值的科研成果，对金属单原子催化剂的制备、探索单原子催化机理、解决催化剂均相催化异相催化等现实问题的研究具有重要意义，并为提高电