电催化毕业论文

背景介绍

在过去的十年中，电催化CO2还原反应 (CO2RR) 与H2O生成C2+化合物已成为热门研究领域。原因主要有三个：一是太阳能、风能等可再生能源发电，可再生电力成本不断降低。可再生电力和电催化CO2RR的结合将有助于建立碳中和过程。其次，对高能分子的电催化CO2RR能够以化学能的形式储存电能。第三，最近的研究表明，电催化CO2RR可以实现C2+烯烃和含氧化合物的高选择性。同样令人感兴趣的是，电催化的C-C偶联可能通过与热催化氢化不同的机制进行，这为控制C-C偶联和产物选择性提供了新的机会。

除了电催化CO2RR外，电催化CO还原反应 (CORR) 生成C2+化合物近年来也备受关注。这不仅是因为CO是一种丰富且廉价的碳原料，可以从各种资源中生产，例如天然气/页岩气、煤炭和生物质，而且还因为可以构建通过CO将CO2 转化为C2+化合物的间接途径。间接途径包括两个步骤，即技术上成熟的电催化 CO2RR到CO，然后是电催化CORR到C2+化合物。如果可以开发出具有高选择性、活性和稳定性的电催化CORR的高效催化剂，则间接途径将是有希望的。

已经发表了多篇关于直接电催化CO2RR的优秀评论文章。然而，到目前为止，关于电催化CORR的评论文章很少。由于CO通常被认为是电催化CO2RR到 C2+化合物的关键反应中间体，因此电催化CO2RR和CORR之间肯定存在相似之处。然而，CO2RR和CORR之间的差异也是已知的。例如，在电催化CO2RR 中，C2H4的选择性通常高于Cu催化剂中的C2+含氧物（主要是C2H5OH），而在许多文献中，C2+含氧物是电催化CORR中的主要C2+产物。

本文回顾重点介绍了在铜基催化剂上电催化CO2RR和CORR转化为C2+化合物（包括 C2H4、C2H5OH、CH3COO 和 n-C3H7OH）的异同。首先，我们将介绍CO2 和CO电催化还原的基本知识，包括阴极和阳极反应、电催化反应器和关键性能参数。接下来，将讨论反应机制，特别是C-C耦联机制。此外，将强调为这两条路线开发高效催化剂和系统的进展。我们将分析决定电催化CO2RR和CORR的选择性、活性和稳定性的关键因素（主要包括催化剂、反应器配置和反应条件）。最后，我们将重点介绍这个蓬勃发展的研究领域的机遇、挑战和可能的未来发展趋势。

图文解读

图1 CO2RR直接途径和间接途径

表1 电催化平衡电势

图2 三种反应器

图3 关键性能参数

图4 C-C耦联机制

图5 C-C耦联后生成C2H4和C2H5OH的机制

图6 双金属铜基催化剂原理

原文链接： Electrocatalytic reduction of CO2 and CO to multi-carbon compounds over Cu-based catalysts

01 导读

二维材料由于其独特的电子结构和原子构型已经被广泛研究用于电催化领域，特别是催化析氢反应。之前的诸多研究成果已经表明二维材料的边缘处为催化反应提供了活性位点。然而，相比于二维材料基面而言，其边缘原子数毕竟是少量，所以调控激发其基面大量原子参与催化反应是提高其整体催化活性的重要研究内容。目前，报道的优化方法主要是通过在二维材料基面上构造原子空位（肖特基缺陷）或者掺杂异原子来提高其基面催化性能。这些方法或催化活性有待提高或需要消耗贵金属等等。所以如何简便地在二维材料基面上精准构造一类具备高效催化活性的原子缺陷结构，一直以来都是具有挑战性的科学难题。

02 成果掠影

近日， 苏州大学李彦光教授、天津理工大学罗俊教授、湖南大学刘松教授以及华东理工大学戴升教授（共同通讯） 联合在国际著名期刊 Nature Communications 上发表题为“Frenkel-defected monolayer MoS2 catalysts for efficient hydrogen evolution”的文章。 许杰、邵功磊以及唐璇 为本文共同第一作者。作者们首次在单层MoS2基面上制备出弗兰克尔新型缺陷结构，并借助球差校正电镜解析出不同缺陷的原子结构，最后通过微纳电化学装置巧妙测试出单层MoS2基面上不同缺陷结构的电催化析氢性能。结果表明一定浓度的弗兰克尔原子缺陷结构甚至比Pt单原子掺杂在MoS2基面上的析氢催化性能更加优异。本文为研究不同种类原子缺陷结构对催化活性的影响提供了新思路和研究对象。

03 核心创新点

1、首次在单层MoS2上制备出弗兰克尔原子缺陷结构，并通过球差校正电镜确认其原子构型。

2、通过微纳电化学装置测量出单层MoS2基面上不同原子缺陷结构的电催化析氢性能，结合理论计算分析出不同缺陷结构表面的电荷分布对其催化活性影响。

04 数据概览

图1：单层MoS2基面上不同原子缺陷结构对应的原子像。

（a-c）单层MoS2原子像及原子模型；（d-f）单层MoS2上弗兰克尔缺陷结构原子像及原子模型；（g-i）单层MoS2上Pt单原子掺杂原子像及原子模型。

图2：单层MoS2基面上不同原子缺陷结构电催化性能测试。

（a）微纳电化学装置示意图；（b）单层MoS2上暴露的基面区域，用于测试的窗口；（c-d）MoS2基面上不同原子缺陷结构对应的电催化性能指标。

05 成果启示

本文作者们在单层MoS2基面上通过简易手段首次构造出一类新型原子缺陷结构（弗兰克尔缺陷）用于高效催化析氢反应。结合理论计算等手段，表明不同缺陷结构会直接影响二维材料基面上电荷分布情况，进而直接决定其催化活性。另外，本文也为研究各类不同原子缺陷结构对催化剂性能的影响提供了很好的思路。

文献链接：Jie Xu, Gonglei Shao, Xuan Tang, et al. Frenkel-defected monolayer MoS2 catalysts for efficient hydrogen evolution. Nature Commun. 13, 2193 (2022).

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