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2023-02-24 14:57:30
2023-02-28
（本文授权转载自“纳米结构材料”公众号）
近年来，关于低维气敏材料微纳结构的报道层出不穷，不同维度材料的表面化学和电学特性对气体传感器的传感性能起到至关重要的影响，表现出了独特的优势。通过研究不同敏感材料的结构特点，能够对气体传感器性能的提升和应用的拓展提供有利支持。
吉林大学电子科学与工程学院张彤教授团队总结了近期零至三维敏感材料微纳结构的发展及“结构-性能-应用”关系，文章的第一作者为周婷婷博士。该综述详细介绍了气体传感器的敏感原理和气敏性能的评估方法。作者将敏感材料从维度上进行划分，分别讨论了零、一、二和三维纳米材料结构和气敏特性的关系，材料体系包括贵金属、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫化物、g-C3N4、MXene等。通过列举国内外代表性的研究工作，对现阶段不同敏感材料的设计策略、性能调控方法以及传感机理进行了总结。
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https://mp.weixin.qq.com/s/LkHjRPLnxnQz8jd4akEe_Q
对高效电化学储能体系的需求，使得人们不断探索一些高性能电化学储能新体系。近年来，一系列电化学储能体系表现出突出的电化学性能，如锂离子电池、钠离子电池、Li-S电池、Li-SexSy电池、金属空气电池、超级电容器等。电极材料是决定电化学性能的重要因素之一，探索合适的正负极材料成为实现高效电化学储能的关键。纳米结构电极材料设计是获得良好电化学性能的有效途径之一。其中，一维的中空结构由于纳米结构单元、较大的比表面积和稳定的骨架结构等性质，表现出独特的电化学储能优势，得到研究者的广泛关注。其中，纳米结构单元减少了离子/电子的传输距离，提高了反应动力学和活性物质利用率；较大的比表面积提供了丰富的电化学活性位点；中空结构可以存储较多的活性物质，并缓解电化学反应过程中的结构应力。因此，通过构造合理的一维中空结构，可以获得优异的电化学性能。
近年来，新加坡南洋理工大学的楼雄文教授课题组在一维中空结构电极材料的设计和制备及其在电化学储能方面的应用取得了许多优秀的成果，得到广泛的关注，近期撰写了题为“Rational Design and Engineering of One-Dimensional Hollow Nanostructures for Efficient Electrochemical Energy Storage”的综述文章。文章基于课题组研究的特色，总结了一维中空结构在电化学储能领域的应用（如锂离子电池、钠离子电池、Li-S电池、Li-SexSy电池、金属空气电池、超级电容器等），介绍了相关领域的最新研究成果，并对其研究前景进行了展望。
图1. 一维中空结构在电化学储能领域的应用优势。
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https://mp.weixin.qq.com/s/vGcw08dL-Cb81Dcr_8HA6w
在各种储能技术中，电化学储能具有更高的效率、更长的循环寿命、更低的成本以及更好的可持续性等优势，已显示出巨大的前景。近来，锂离子电池已成为电化学储能装置的主流，然而由于锂资源稀缺、价格高昂和安全问题，仍需寻找更好的替代品。钠离子电池、钾离子电池和多价电池的研究也正在进行中，但仍然难以同时获得具有高功率和高能量密度的理想电化学储能装置。为了实现上述目标，科学家们利用各种纳米材料来改善电化学性能。一维纳米材料(纳米线/纳米棒/纳米管/纳米纤维)由于其独特的功能特性而吸引了广泛的研究兴趣。纳米线是其中具有良好性质的结构之一，例如结晶度、可控的尺寸组成和电子径向传输，其可用于制造具有良好性能的纳米级电化学储能器件。纳米线在储能方面的应用潜力正在逐渐被开发，其有望满足人们对电极材料的需求。
该综述分别对ORR、MOR、HER 和OER四个半反应在不同电解质溶液中的反应过程和机理进行详细介绍，讨论了几种反应在热力学和动力学过程上的主要障碍。按照催化剂的组成对现有一维纳米材料催化剂进行分类归纳：一维铂基催化剂和一维非铂基催化剂，并总结了影响电催化剂催化活性的几种因素：(1) 催化剂的组成。不同量或不同种类的异质原子掺杂往往会使金属电子结构发生不同程度的改变，从而改变催化剂的性能；(2) 电化学活性面积。活性面积越大，暴露出的活性位点越多，从而容易使催化剂与反应物接触加速传质过程，提高催化活性；(3) 结构和晶面的调控可以控制催化剂的催化活性和专一性，提高催化效率；(4) 传导能力。催化剂本身的电子传输能力也会对其催化活性产生影响。最后本文总结了提高一维金属纳米材料电催化剂催化活性的有效策略，为进一步提高电催化剂催化反应性能提供了重要的依据。
图1. 电化学能量转换装置的原理示意图；(a)直接甲醇燃料电池中MOR和ORR；(b)电化学水分解中HER和OER。
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https://mp.weixin.qq.com/s/BRbzddKFGy7_03_gCjcSeQ?scene=25#wechat_redirect
在各种储能技术中，电化学储能具有更高的效率、更长的循环寿命、更低的成本以及更好的可持续性等优势，已显示出巨大的前景。近来，锂离子电池已成为电化学储能装置的主流，然而由于锂资源稀缺、价格高昂和安全问题，仍需寻找更好的替代品。钠离子电池、钾离子电池和多价电池的研究也正在进行中，但仍然难以同时获得具有高功率和高能量密度的理想电化学储能装置。为了实现上述目标，科学家们利用各种纳米材料来改善电化学性能。一维纳米材料(纳米线/纳米棒/纳米管/纳米纤维)由于其独特的功能特性而吸引了广泛的研究兴趣。纳米线是其中具有良好性质的结构之一，例如结晶度、可控的尺寸组成和电子径向传输，其可用于制造具有良好性能的纳米级电化学储能器件。纳米线在储能方面的应用潜力正在逐渐被开发，其有望满足人们对电极材料的需求。
图1 纳米线的不同形态和结构
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在众多纳米结构材料中，三维纳米结构材料被认为是构筑高性能器件的理想基础材料之一，并引起了广泛的关注。在电化学能转换和存储领域中，各种三维纳米结构材料已经被设计和制备用于提高电化学能源器件的能量转换和存储效率，并已经取得了显著的研究进展。但是从实际应用的角度上，基于三维纳米结构材料的电化学能源器件在能量转换效率、储能性能以及器件可靠性等方面还需要进一步地提升，并且需要不断地降低制造成本，这样才能够满足大规模应用的要求。近日，德国伊尔梅瑙工业大学的雷勇教授和赵华平博士系统地总结了三维纳米结构材料的发展及其在电化学能量转换与存储应用中的独特优势和所面临的挑战。作者认为通过对这些优势和挑战的全面分析和深入了解，将有助于进一步促进用于电化学能源器件的三维纳米结构材料的研究和发展，从而能够实现更高效的电化学能量转换和存储效率。作者首先概述了目前被广泛研究应用于电化学能源器件的各种三维纳米结构材料，紧接着系统总结和深入分析了这些三维纳米结构材料在电化学制氢，光电催化转化氮气、二氧化碳制备化学燃料，可充电金属离子电池，超级电容器等应用中的优势和挑战。最后，本文作者通过这些总结和分析提出了解决三维纳米结构材料在电化学能源器件领域广泛应用所需加强的研究重点，并对未来的发展方向进行了展望。
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https://mp.weixin.qq.com/s/MiZ9KH3vq6aRgyRXy3UuOw
多级多孔结构是自然界中的首选，其可以最大限度地提高传质，从而以最佳效率和最低能耗提高化学反应速率。通常，具有多级多孔结构的材料跨越一系列备受关注的化学领域，从活性炭和无机分子筛到有机/无机杂化骨架，其特点是具有大表面积、可接近的空隙和多尺度互连多孔结构。此外，多级孔隙独特的空间有序排列，可以使多个离散函数在各种应用领域中的独立或协同运行成为可能。
近年来，一些基于分子组装概念的策略已被证明可以将多级孔隙生长引导为各种形状和多孔结构，其主要方法是采用宏观/介观尺度组装单元作为孔隙导向剂，从而形成大孔和介孔的多级组装。然而，利用该方法合成出的大多数产品均为微米级的块状材料，没有均匀的形状和自然的梯度结构。另一种获得多级多孔结构的策略是构筑多孔核壳结构，通过控制核与壳中孔隙的大小来实现。迄今为止，科研人员在合成具有均匀形貌和孔径的多孔核壳结构材料方面付出了巨大努力。然而，这种均匀的多孔结构在催化反应等实际应用中的性能远不能令人满意，因其不利于催化过程中的动态变化和复杂的耦合机制。因此，在精细的控制水平上模拟自然的多级多孔结构仍然具有挑战性。
在本文中，作者开发出一种胶束动态组装策略，成功合成出一种具有空间梯度多孔结构的沸石@介孔二氧化硅核-壳结构(ZeoA@MesoS)。所制备出的ZeoA@MesoS材料表现出高度单分散性，具有球形形貌和中心-径向梯度介孔通道(2-10 nm)，在核中具有均匀的微孔(0.5 nm)。通过动态改变作为自组装基本单元的复合胶束模板，可以精确的控制介孔尺寸。更重要的是，这种梯度多级多孔结构可以很好地模拟自然界中的多级多孔系统，自发地表现出从溶液到内部活性位点的毛细管导向快速传质用于化学反应。
图1. 通过胶束动态组装策略合成出LTA沸石@介孔二氧化硅核壳结构纳米球(ZeoA@MesoS)的示意图。
图4. (a)磺酸功能化ZeoA@MesoS (SA-ZeoA@MesoS)催化长链羧酸(棕榈树, PA)酯化反应的示意图；(b)新制备出SA-ZeoA@MesoS催化剂的TEM图；(c)SA-ZeoA@MesoS与磺酸功能化MesoS (SA-MesoS)作为催化剂时，PA酯化反应与反应周期的关系；(d)初始反应速率对循环次数的依赖性；(e)SA-ZeoA@MesoS和SA-MesoS催化剂在PA酯化反应中的耐水性。
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https://mp.weixin.qq.com/s/OM7rm9nqnCL66MdI_-8Fsg
电催化氧还原反应（ORR）是金属-空气电池、燃料电池等电化学储能和转换技术中的关键反应。单原子催化剂（SAC）由于具有最大的活性位点利用率和微调活性中心的电子结构，相比于团簇及纳米颗粒，在ORR的研究中展现出明显优势。与初级结构性相比，多级结构催化剂可以增加活性位点负载量，增强活性中心和电解质以及氧分子的可接触性，加速质荷转移能力并提高稳定性。但是在多级结构中，只有少数研究报道纳米颗粒的多级结构性能优于初级结构，而不同类型催化剂的性能差异缺乏系统性的对比研究，对于诸如“初级结构中得出的结论在多级结构是否仍然成立”和“不同尺寸活性位点催化剂的催化性能如何与其相应的结构，特别是与金属-载体相互作用相关”等重要问题尚待回答。
图1 尺寸效应在多级结构体系中的催化应用研究
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https://mp.weixin.qq.com/s/lvgLI-cJICTmN5nBzBfQ7A
近日，青岛科技大学王磊、刘晓斌课题组通过水热热解-磷化工艺制备了在镍泡沫上原位生长的N，P共掺杂包覆的FeP/FeNi2P的1D/3D多级结构电催化剂（FeNiP-NPHC）。得益于三相异质界面处FeP、FeNi2P和N、P共掺杂碳之间的强耦合效应，以及独特的1D/3D多级结构，制备的FeNiP-NPHC在碱性海水中表现出优异的ORR（E1/2=0.83 V）、HzOR（E100=7 mV）和HER（E100=-180 mV）性能。密度泛函理论表明，构建FeNiP-NPHC的三相异质界面可以有效地调节d带中心和电子结构，有助于平衡和优化三功能电催化性能。作为概念证明，自组装直接肼燃料电池（DHzFC）成功驱动碱性海水中的全肼分解（OHzS），验证了FeNiP-NPHC作为三功能电催化剂的应用潜力。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。研究生于青平为本文第一作者。
图1：FeNiP-NPHC形成过程以及形貌结构表征图。
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https://mp.weixin.qq.com/s/MOerR7Ivi7w4BzXI6m2eQg
调整纳米晶体的形貌是提高其催化性能的一种很有前景的方法。在大多数的形状控制合成策略中，表面活性剂是不可避免的，因为它们能够稳定不同的面。然而，吸附的表面活性剂阻碍了纳米晶体的固有活性位点，降低了其催化性能。目前，在不使用表面活性剂的情况下控制形貌的策略仍然有限。CO 电还原 (COR) 是电化学CO2还原 (CO2R) 的关键步骤，它是一种以多碳燃料和化学品形式存储可再生能源的有吸引力的途径。纳米结构的形貌决定了其界面原子排列，因此在影响 COR 中催化剂的性能方面起着至关重要的作用。此前，已经开发了许多合成策略，通过改变催化剂的尺寸、中空结构和表面粗糙度来提高COR到C3产品的法拉第效率 (FE) 和电流密度 (j)。
本文开发了一种简便的无表面活性剂合成方法来调节Cu2O 纳米晶体的形貌，以提高CO转化为正丙醇的电催化性能。具体而言，通过结合浓度耗尽效应和氧化蚀刻工艺制备了以前的无表面活性剂方法难以制备的Cu2O支化立方骨架（BCF-Cu2O）。更重要的是，BCF-Cu2O催化剂在-0.45 VRHE时呈现出最高的正丙醇n-propanol电流密度 (-0.85 mA cm-2)，比表面活性剂涂层的Cu2O纳米立方体衍生催化剂（SFC）(-0.17 mA cm-2)高五倍。就CO电还原中的正丙醇制备具有增强应用性能的表面清洁纳米晶体提供了一个重要的范例。
方案1. 在不同形貌的Cu2O纳米晶之间的浓度耗尽和氧化蚀刻效应示意图。
图1. 在不同条件下生长的Cu2O纳米晶体的SEM图像、TEM图像和相应模型：(A)cs(Cu2+)=625 μM, (B) cs (Cu2+)=312.5μM, and (C) N2H4注入速度为250 μL min-1。（D）立方模型不同部分（顶点、边缘和中心）周围的浓度耗尽域。（E）具有弱浓度耗尽效应的立方模型。（F）具有分支的凹立方体上的强浓度耗尽效应。（G）具有中等浓度耗尽效应的凹形立方体。比容 (SV) 表示体积与表面积的比值。
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https://mp.weixin.qq.com/s/lPngyUub00RJJzSyQOqxEA
近几十年来，自下而上的方法已广泛用于纳米合成领域，以获得具有尺寸、成分和形状可调的纳米晶体，以此研究不同晶面的生长情况。然而，合成过程中可能涉及多个限制因素，不利于宏量制备和大规模生产。而对于自上而下的策略，暴露的晶面随微/纳米晶体的大小而变化，适当提高高指数晶面的暴露比将有效改善催化性能。因此，微/纳米晶体尺寸的变化将影响活性和暴露面之间的关系，这对于调节催化活性至关重要。
近日，吉林大学材料科学与工程学院低维材料团队田宏伟教授、于陕升教授和郑伟涛教授提出了通过特定酸辅助诱导刻蚀策略，以解决与具有高度取向和暴露面的Fe5Ni4S8纳米颗粒（FNSNPs）合成相关的上述问题。通过调整蚀刻时间以调节纳米颗粒的尺寸和暴露的晶面。通过密度泛函理论（DFT）计算，每个暴露面的表面能大小顺序为：Esur（511）>Esur（422）>Esur（440）>Esur（331）>Esur（222），以区分不同暴露面的活性。结果表明，高能晶面（422）和（511）暴露率的增加，有利于提高材料的电催化析氢（HER）活性，使得FNSNPs仅需11.1 wt%的含量就可以实现块体FNS 近100%的活性。同时，质量活性提高了近9倍。此外，作者成功建立了FNSNPs的尺寸-晶面-催化性能间的构效关系。该论文以“Structure-catalytic functionality of size-facet-performance in pentlandite nanoparticles”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。
图1.（a）FNSNPs/C样品的合成路线图；（b）FNSNPs的后处理图；FNSNPs-36h的（c）X射线衍射（XRD）图谱、（d）TEM图像和（e，f）高分辨TEM（HRTEM）图像。
详细来源：
https://mp.weixin.qq.com/s/Wx1K0iJgtu0SM7CupUO0pA
在碳基催化剂方面，电催化活性主要取决于与氧吸附和解吸机制密切相关的缺陷的电子结构。引入杂原子可以调节基底材料的电荷自旋状态。金属原子进一步引入会产生高活性的位点（M-N-C）。为了暴露活性中心，避免合成和催化反应过程中材料的聚集，设计合成良好结构形貌的碳载体是有必要的。独特形貌（如多孔体碳、核壳结构、异质纳米结构、二维纳米纤维和纳米片）的催化剂的构建可以加速电子传质，增强机械强度，增大比表面积。由此，形貌结构和原子结构的双重可控调节是提高催化剂材料本征电催化活性的关键。
形貌和缺陷的演化关联是催化点位调控重要突破口。本文以钴单原子负载的氮掺杂石墨片及管的复合材料（CoSAs-NGST）为例，调控了电催化剂材料的形貌结构和缺陷结构的双重演化过程，并用于锌空电池。相关成果以题“Dual Evolution in Defect and Morphology of Single-Atom Dispersed Carbon Based Oxygen Electrocatalyst”发表在近期的Advanced Functional Materials。第一作者为郑州大学材料科学与工程学院博士研究生班锦锦。
图1 (a, b) CoSAs-NPC的扫描透射图；(c-g) CoSAs-NGST的形貌结构表征；(h) 氮气吸脱附曲线对比图
https://mp.weixin.qq.com/s/6NXtDoOtf68rAPP2Lo6WJg
碳基材料因其良好的化学稳定性、高电导率和环境友好性，被认为是钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）最具前景的负极材料。然而，由于钠离子和钾离子的大尺寸，实现具有高可逆容量、长循环寿命和高倍率性能的碳负极存在巨大的挑战。中国科学技术大学合肥微尺度国家实验室、材料科学与工程系余彦团队与东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院罗维团队合作，通过合理设计，成功制备了N掺杂的3D介孔碳纳米片（N-CNS），实现了SIBs和PIBs前所未有的电化学性能。N-CNS具有多级孔超薄纳米片结构、高含量的吡啶N/吡咯烷N和扩展的层间距离，增强了Na/K离子的嵌入/脱出动力学过程，缩短离子和电子的扩散距离，并能够适应体积变化。因此，基于N-CNS的电极在SIBs和PIBs中展现出长的循环性能和高的倍率性能。
图1. a，b）多级N-CNS的合成过程示意图（a）和用作SIBs/PIBs负极材料的N-CNS结构（b）。c）N‐CNS的SEM图像和d，e）TEM图像。f）通过TEM衍射条纹计算出的N-CNS平均间距。g–i）HRTEM图像和相应的EDS元素图谱。
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https://mp.weixin.qq.com/s/X7t6_JgScym25qOS-54gAA
研究铁电聚合物纳米复合材料界面的构效关系对设计先进铁电材料具有重要意义。目前，对于界面的研究主要采取通过复合材料的宏观性能反推界面微区结构与性能的方法。但是这种方法得到的结论属于间接推测，并没有直接的实验证据支持。实际上， 纳米颗粒的加入不仅会引入界面，也可能会导致聚合物基体本身的结构和特性发生变化，这种变化的影响与界面的贡献是难以区分的。因此，通过宏观性能反推界面作用的方法并不够严谨，甚至可能会得到相悖的结论。本文报道了一种以扫描探针显微镜为基础的联合测试界面研究方法，通过对包含不同表面化学修饰、不同种类以及不同粒径粒子的铁电聚合物纳米复合材料样品进行测试，揭示了界面微区电性能和极性相结构的关联关系。结果表明，粒子表面接枝物与聚合物基体形成的氢键提高了界面微区极性相的含量，因此能够提升界面的压电性能；氢键还降低了界面微区的电畴尺寸，导致界面局部的击穿强度增强。
清华大学李琦课题组首次开发了结合PFM、KPFM、C-AFM、Nano-IR等测试手段的界面研究方法，能够对样品的同一微区进行多种以扫描探针显微镜为基础的原位测试，并利用这一方法对使用不同接枝物以及不同种类、粒径粒子的复合材料样品开展测试，揭示了界面微区电性能和晶相结构的关系。粒子表面的接枝物与聚合物基体之间能够形成氢键，这些氢键一方面可以提高界面微区β晶相的含量，进而提升界面的压电性能，另一方面还降低了界面微区的电畴尺寸，使得界面的击穿强度增加。
图1. 界面构效关系的联合测试表征方法。(a)基底的三级凸起结构；(b-d)同一粒子微区的形貌、PFM和Nano-IR测试结果；(e-f)沿虚线处的信号变化。
详细来源：
https://mp.weixin.qq.com/s/mi6fmHQvLk8Ov7DK8fLIzw
非均相催化系统具有高度复杂性和不确定性，反应物分子在纳米尺度上的催化行为通常是无序且难以预测性的，而中空纳米反应器的出现则为实现可控分子催化行为提供了潜在契机。尽管如此，中空纳米反应器内部发生的分子催化机制仍有待于充分的认识和理解。有鉴于此，吕学斌课题组及其联合研究团队发表述评文章，首次探讨了中空纳米反应器的基本概念、中空纳米反应器驱动催化动力学的基本理论以及中空纳米反应器结构参数与动力学行为之间的构效关系，旨在实现中空纳米反应器驱动可控催化的基本理论框架发展。
图1. 非均相催化动力学的一般步骤
中空纳米反应器的结构特征和基本概念
纳米反应器提供了一种介观受限的微环境，该微环境能够促使化学反应在特定纳米空间范围内得以有效调节。其中，中空纳米反应器是一类重要的纳米反应器，主要包括三个基本结构特征：1）具有由壳纳米结构界定的空腔；2）具有位点灵活负载的可选位置；3）具有位点可及的分子扩散路径。研究进一步界定了其基本概念：中空纳米反应器是一种由可控壳结构界定的空腔和灵活落位的活性中心共同构成的集成性纳米机器，能够为在纳米空间范围内调控化学反应以响应特定催化目的提供介观受限微环境。
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https://mp.weixin.qq.com/s/zyCb7aGwS9fV-POEw_vnJw
赝电容型材料通过快速的氧化还原反应实现离子的储存，兼具高能量密度和高功率密度的特性，展现出了作为高性能电化学储能器件电极材料的巨大潜力。近年来，已有众多研究通过调节电极材料的纳米结构以实现更强的赝电容响应，从而得到优异的高倍率离子储存性能，但截至目前，对于材料结构设计手段和赝电容响应间的影响机制尚且缺乏较为系统的阐述。近日，西安交通大学许鑫研究员、成永红教授与武汉大学于霆教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Nanostructure and Advanced Energy Storage: Elaborate Material Designs Lead to High-Rate Pseudocapacitive Ion Storage”的综述文章。该文章分析了本征及非本征赝电容材料结构设计与高倍率离子存储性能间的作用机制，同时汇总了近期在先进赝电容材料研究方面的进展，并对后续的赝电容材料研究发展方向和赝电容材料商业化应用前景进行了展望。
图3. 材料结构设计与高倍率赝电容离子存储特性间的构效关系。
虽然目前已发展出众多的材料结构设计手段来提升材料的赝电容响应和快速充放电性能，但在实际的材料制备中，仅采用单一改性手段对于材料的离子存储性能提升效果十分有限；同时，现有研究工作对于许多材料结构设计手段的影响机制的理解仅停留在定性层面，这一缺点削弱了上述手段对于后续研究的指导作用。为了得到能够应用于先进储能设备中的高性能赝电容材料，首先，在今后的材料设计中应同时采用多种改性手段，通过其协同效应进一步提升材料的离子存储表现；其次，在接下来的研究工作中，对于材料结构设计手段的作用机理的定性研究也应逐步转入定量研究，通过探索最优的材料改性方案来得到更好的离子存储能力。
详细来源：
https://mp.weixin.qq.com/s/Z9-IbbLOf1MYiIyyLcApcQ
从纳米气凝胶到原子气凝胶的结构转化涉及到介观纳米结构的调控和微观原子结构的优化，需要平衡多种关系才能获得完美的结果。在介观纳米尺度和微观原子尺度上开展“材料设计”和“构效关系”的研究，加深对催化材料活性和稳定性的认识，确实是一项有意义的工作。多孔气凝胶载体材料的“空位和多孔结构”、金属单原子的“配位结构”和“电子结构”对电催化性能有重要影响。因此，我们建议对AMUNMs的结构转化与电催化效率进行因果分析，开展“结构-活性关系”(即电催化效率与空位-原子-电子结构的关系)研究，以实现高催化活性和稳定性的AAMs的功能调控。综合得出了电催化材料的科学理论和设计原则(如图6所示)【5】。
图6 本文提出的从AMUNMs到UHD ALC设计原则及路线图【5】。
单原子气凝胶(SAAs)的新概念包括两个基本含义: 载体级SAAs(即单原子功能化气凝胶)和原子级SAAs(即单原子构建气凝胶)。气凝胶的孔隙结构以及单原子与气凝胶的相互作用方式对于设计高性能SAAs非常重要。不同的相互作用导致不同的结构特征和性能【6】。因此，在这方面进行系统的实验验证和理论模拟，很可能成为今后的重点研究课题。特别地，单原子的分散性和高密度往往是相互矛盾的概念，但对于催化剂来说，足够高的比催化活性（密集位点）是SACs最关键的参数【7】。因此，可控合成高位点密度的分等级多孔的载体级SAAs（包括SACs或DACs）将是下一阶段发展的重要方向【4】。此外，从介观原子级SAAs到宏观整体原子级SAAs的结构转变对真正单原子级宏观原子气凝胶材料的构建具有重要意义。最后，批量化制备（公斤级）单原子催化剂是实现实际应用的关键【8】。总之，单原子催化剂的密集协同位点及多孔结构载体具有非常重要的意义。
详细来源：
https://mp.weixin.qq.com/s/nyl_Y9Mh-8NHzg9NteVA0g
纳米材料的出现，让大家更加意识到材料的尺寸和性能之间的密切关系。 特别是当物质的宏观尺寸从体相到纳米再到原子水平时，材料的催化性能可能会发生显著变化。由此，可以肯定的得出结论：小尺寸决定大性能，蕴含大科学。因此，正如化学家所希望的那样，合理地调整和表征材料的尺寸，深入了解宏观催化性能与微小结构之间的关系是非常必要的。通过深入理解和揭示催化材料的尺寸以及特殊尺寸下所特有的结构效应和催化性能的关系，有助于建立起良好的“构效关系”，对于调控催化材料设计和揭示催化机理至关重要。然而，目前关于揭示多尺度材料（涵盖纳米、亚纳米、团簇、到原子级分散）的独特结构效应以及与其在催化性能之间的“构效关系”的评论文章相对较少。因此，系统而深入的阐述纳米、亚纳米、团簇、原子级分散催化材料的结构效应与相应的在热催化、电催化和光催化领域的性能间的关系的综述研究是非常迫切和需要的。
清华大学王定胜课题组重点关注了从纳米尺度、亚纳米、团簇到原子尺度的各种催化反应的多尺度材料的最新进展。具体而言，对微观结构上的催化反应以及小尺度与大科学的关系进行了全面的总结和讨论。文章系统地跨越了催化材料的多维度变化，揭示了具有独特效应的不同尺度催化材料的热、光、电等催化性能。文章同时系统地讨论了具有独特效应的多尺度材料的各种催化应用，如详细研究纳米、亚纳米、团簇及原子级分散催化材料所呈现的尺寸限域效应、缺陷效应、应力应变效应、金属-载体强相互作用效应和配位效应等与热催化、光催化和电催化性能的关系。这对于合理揭示材料的组成和探索其催化活性至关重要。
图1多尺度催化材料及独特的结构效应与相应的催化活性间“构效关系”的示意图
此外，该综述还就多尺度材料（纳米材料、亚纳米材料、团簇材料和原子分散材料）在催化、能源和环保等领域应用的当前机遇和未来挑战进行了展望。首先，在纳米材料研究中，纳米材料在制备和催化领域均取得了长足的进步。然而，目前的各种纳米材料仍面临着许多挑战：1） 可控制备具有不同暴露面的纳米材料对调控其催化活性具有重要意义；2）开发简便的方法来扩大纳米材料的产量以满足工业应用的需求。其次，未来团簇领域的工作应主要围绕提高其应用稳定性并避免高表面能团簇在催化应用中失活问题，以推动团簇的产业化应用。最后，原子级分散催化材料的机遇与挑战：1）有必要探索合成和制备新型单原子材料的新方法，并探索其潜在的应用；2）增加单原子催化材料的负载量以满足工业应用的需要；3）以单原子催化剂为模型系统，借助原位电子显微镜或原位同步辐射等原位表征方法观察和跟踪单原子材料在催化反应过程中的结构变化，然后结合DFT理论计算研究其结构与催化性能之间的构效关系，进一步探索可能的催化反应机理；4）由于局部电子结构对材料的性能影响很大，因此精确控制配位环境也非常重要，例如调节活性中心的配位数和配位原子来提升原子级分散材料的催化活性。
具体来源
https://mp.weixin.qq.com/s/29WWzd9cmkDtBfNY8LNG0w
【总结】总而言之，通过世界范围内科研工作者的不懈努力，纳米材料的合成与应用研究在近20年来取得了可喜的进展，为后续的基础和应用研究提供了一系列结构和性质在分子或原子层面上精准可控的高质量纳米结构。高质量的纳米形貌结构作为功能化的结构基元，还可以在自组装研究中获得广泛应用。虽然纳米材料的合成与应用研究取得了可喜进展，但其发展仍旧任重而道远，需要跨学科跨领域的科研工作者继往开来的努力。
