山东大学《EES》综述：二维基底限域单原子催化剂在储能中的应用

电化学储能技术已成为清洁能源界的“圣杯”，它们在试图同时缓解化石能源短缺和环境污染日益严重的威胁方面具有重要意义。然而，许多固有的瓶颈强烈阻碍了各种新兴电池系统的实际应用。2D材料，包括典型的石墨烯、石墨碳氮化物（g-C₃N₄）、过渡金属二硫化碳（TMD）、MXenes、2D金属-有机骨架（MOF）等，具有大量暴露的活性位点，较大的表面/体积比和纳米级厚度。

多样化的电化学储能系统高度依赖于电极材料的结构。在此领域，有意地将单原子催化剂掺入二维矩阵（SAs@2D）中可提供源于主体与客体之间的相互作用以及大量外部缺陷的优势。然而，关于在各种能量存储设备中使用SAs @ 2D的内在操纵机制和指导见解尚未得到全面研究。

来自山东大学尹龙卫教授等人综述总结了最近更新的合成方法和结构活性机制。然后，有关在各种可充电电池（例如Li-O₂，Li-CO₂，Li-S，Li-金属和Zn-空气电池）中使用SAs @ 2D混合动力的前沿应用。本文认为，最大程度暴露的活性中心和优化的电子环境是增强整个导电网格中质量转移的原因，而这对于加速氧化还原动力学和增强高级电池系统中的能量效率是必不可少的。特别是，深入的机制研究解释了高密度不饱和配位点如何调节框架中中间体的吸附成核生长行为，以及SAs @ 2D的电子和结构特征如何降低氧化还原反应过程中的势能垒。。最后，提出了与可充电电池中SAs @ 2D的使用有关的进一步研究的挑战。相关论文以题为Two-dimensional matrices confining metal single atoms with enhanced electrochemical reaction kinetics for energy storage applications发表在Energy Environ. Sci.。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D0EE02651D

图1用于各种可充电电池应用的SAs @ 2D混合动力汽车范围的示意图

图2（a）表示Ni–N–MEGO合成的示意图。（b）AC-STEM图像显示：单原子Ni位主要位于Ni–N–MEGO内部纳米孔的边缘。

图3.（a）提出的制备Pt SAs /石墨烯的反应机理。（b）Pt SAs / DG的HAADFSTEM放大图像。（c）缺陷区域的放大图像。（d）Pt SAs / DG的相应EXAFS拟合曲线。

图4.（a）Zn-MXene产品的制备和HAADF-STEM成像。（b）Mo2TiC2Tx–PtSA催化剂的合成机理和特征。

图5.（a）G（CN）-Cu催化剂的模型和HR-TEM图像。

图6.（a）* OOH、* O和* OH与M-SA的结合能以及M原子的d带中心（空心圆）示意图。（b）通过2e或4e途径的ORR活火山曲线

总而言之，SAs@2D材料的开发正在以非常快的速度前进，以至于我们只能专注于有限数量的合成策略。依靠各种新鲜的想法，催化能力和储能性能的持续优化仍在进行中。满足行业的严格要求并满足安全性、性能、成本和环境友好性这四个准则是对这项新兴技术的最终追求。因此，希望这篇综述可以记录SAs@2D工程方面的最新进展，并从本质上为未来的催化剂和电池开发提供有意义的启示。（文：SSC）