清华大学李亚栋院士、王定胜教授团队APM综述：电催化反应中先进能源转换材料的理论导向筛选与设计

youyoucao 3年前 (2021-11-05) 2116浏览

清华大学李亚栋院士团队王定胜教授针对电催化反应中先进能源转换材料的理论导向筛选与设计发表综述，文章题目: Theory-oriented screening and discovery of advanced energy transformation materials in electrocatalysis，doi: 10.1016/j.apmXXX。本文得到国家重点研发计划（2018YFA0702003）、国家自然科学基金（21890383、21871159）及广东省滚球体育 攻关项目（2020B010188002）等的支持。
研究背景
各种金属基电催化剂，从纳米晶到团簇再到单原子的发现已被广泛用于高效能源器件和电催化转换技术。近些年，众多电催化剂主要通过试错法实验合成。然而，对各类电化学反应和电池系统中催化剂结构和反应机理的合理设计和理论认知仍处于起步阶段。为加速能源转换材料的设计并筛选优异的电极催化材料，迫切需要在原子尺度上使用DFT密度泛函理论计算和机器学习技术对反应机理进行深入研究。
采用高通量密度泛函理论计算和机器学习技术，使研究人员能够快速了解电极表面的反应机理，在原子尺度上建立电子结构-催化活性关系。通过对活性位点设计、界面控制、计算描述符等理论模型的构建和优化，我们可以从庞大的催化剂数据库中快速筛选出一系列性能优异的能量转换材料，大大降低了开发成本，缩短了实验周期。然而，由于对活性位点结构和反应过程了解不足，大多数单原子催化剂(SACs)的开发仍然依赖于反复试验。通过分析由DFT计算出的SACs的理论指导构效关系，我们可以快速预测最佳结构模型，从而提高特定催化反应的综合性能。
本文全面概述了先进能源转换材料理论指导设计的最新进展，并特别关注单原子在诸如燃料电池（氧还原反应，ORR；酸氧化反应；醇氧化反应）等各种能源器件中的应用，以及其它与能量相关的小分子电催化转化反应，如H 2O 2析出反应（2e -ORR）、水分解（H 2析出反应/O 2析出反应，HER/OER）、N 2还原反应（NRR），和 CO 2还原反应(CO 2RR)等。首先，讨论了电催化反应和电池模块中电子结构、相互作用机制和反应活化路径。接着，研究了先进能量转换材料的实验合成策略、结构鉴定和电催化性能。最后，对先进能量转换材料的当前问题和未来设计理念提出了一些观点。
创新点
高通量DFT理论计算和机器学习技术在探索活性位点、电子结构和反应机制方面起着重要作用，可以加速能源转换材料的发现。借助理论指导，可以阐明材料内在性质、微观反应机理和构效关系。通过对活性位点设计、界面控制、计算描述符等理论模型的构建和优化，将大大降低实验合成的成本和周期。预期本文可以为适用于重要能源供给装置和化学反应的先进能源转换材料提供理性指导。具体特色如下：
1)从电子结构、相互作用机制和反应活化路径角度论述以理论为导向的先进能源转换材料的筛选和设计。目前文献很少有相关理论指导实验-实验验证理论-理论指导合成-结构表征辅助理论建模-理论分析活性来源这种反馈验证模式的精准构建方法，本报道有助于深入理解“理论+实验”的“构+效”关系。
2)分析理论筛选的目标催化剂在电催化转化和能源器件领域的实验合成策略、结构鉴定方法和催化活性评估。通过理论指导定向合成，得到目标产品后再计算其物理化学性质，利用结构表征鉴定技术手段辅助理性建模，针对不同催化反应，探索反应机理，理性正确分析活性来源。
3)针对理论指导下的模型预测、催化剂合成、结构鉴定、性能评估等方面所面临的挑战和未来发展前景进行了分析。这将有利于选择有效的描述符和计算方法来准确描述活性位点结构、电荷转移过程、吸附能和反应能垒。通过分析催化剂结构与性能之间关联，可更好地理解原子尺度复杂催化反应机理。
小结
由于活性位点与吸附质之间的相互作用对催化性能有重要影响，需要反复结合实验和理论计算来研究催化剂的结构性质和实际催化过程，这将有助于目标催化剂在特定反应中实现高效利用。特别指出，常用的DFT近似方法可能会存在误差，如大多数理论建模都是在理想条件下进行，而忽略了实际反应过程，如温度、压力、溶剂、活性位点浓度等，准确来讲，这些因素都应该被评估和包括在内。相同的原子分散活性位点可以催化不同的反应，如Pt基SACs对ORR和HER均具有活性，而对于相同的反应，不同的金属基SACs可以得到不同的产物，如CO 2RR产物可以有CH 4、CH 3OH和HCOOH等。此外，金属中心的配位数决定了催化性能，如具有较高配位数的SACs显示出较高的OER活性，而具有较低配位数的SACs可改善HER活性。通过调节催化剂与被吸附物之间的界面电子耦合效应来降低活化势垒将成为未来一个有趣的热点。通过理论指导，金属载体相互作用效应已经成功地指导了各个领域的SACs设计，如 ORR、HER、OER 等。先进能源转换材料的理论预测和指导方法还应该发散到其它应用中，如CO氧化、甲烷活化、选择性加氢、乙烯环氧化等有意义的有机催化反应。另外，其应用领域还需要扩展到其它与能源相关的装置和反应中，如锂硫电池、超级电容器、光伏器件、环境催化中，这将使世界变得更加有趣和多彩。
原文链接
Hongyu Jing, Peng Zhu, Xiaobo Zheng, Zedong Zhang, Dingsheng Wang,* and Yadong Li. Theory-oriented screening and discovery of advanced energy transformation materials in electrocatalysis [J]. Advanced Powder Materials.DOI: 10.1016/j.apmate.2021.10.004
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https://pan.baidu.com/s/1jARVE2e5rXUNWEe5f1Rzzg
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作者介绍
王定胜，1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授。2015年获博士生导师资格。研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖。发表学术论文100余篇，含1篇 Nature Chem.、1篇 Nature Nanotech.、2篇 Nature Catal.、12篇 Nature Commun.、14篇 J. Am. Chem. Soc.、18篇 Angew. Chem. Int. Ed.、13篇 Adv. Mater.等。
作者ORCID链接: https://orcid.org/0000-0003-0074-7633
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