Co₃O₄基单原子催化剂设计及电催化应用:小综述

摘要： 随着对清洁能源需求的不断增长以及传统催化剂的局限性日益凸显，单原子催化剂（SACs）作为一种新型高效的催化材料受到了广泛关注。Co₃O₄具有独特的物理化学性质，在众多催化反应中表现出良好的活性。将Co₃O₄与单原子催化剂相结合，可以进一步优化其催化性能。本文综述了Co₃O₄基单原子催化剂的设计策略，包括单原子的选择（如过渡金属原子等）、负载方法（物理吸附、化学键合等），详细阐述了其在电催化析氢反应（HER）、氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）和二氧化碳还原反应（CO₂RR）等电催化应用中的研究进展。同时，讨论了目前面临的挑战，如单原子的稳定性、活性位点的精确调控等，并对其未来的发展方向进行了展望。

一、引言

在当今社会，能源危机和环境问题日益严重。电催化作为一种绿色、可持续的技术手段，在能源转换和存储方面具有巨大的潜力。例如，通过电催化可以实现水的分解制取氢气，这是一种清洁的能源载体；还可以进行二氧化碳的还原转化，将其转化为有用的化学品或燃料，从而减少温室气体排放。传统的电催化剂往往存在活性较低、选择性较差等问题。单原子催化剂由于其独特的电子结构，每个原子都可以作为独立的活性位点，具有极高的原子利用率，在电催化领域展现出巨大的优势。Co₃O₄是一种常见的金属氧化物，具有合适的带隙、丰富的表面氧物种等特性，在电催化反应中有一定的活性基础。将单原子引入到Co₃O₄基体中构建Co₃O₄基单原子催化剂，有望进一步提高其电催化性能。

二、Co₃O₄基单原子催化剂的设计

（一）单原子的选择

1. 过渡金属原子
   • 过渡金属原子如Fe、Ni、Cu等常被用于构建Co₃O₄基单原子催化剂。例如，Fe原子具有可变的氧化态（+2、+3），其引入到Co₃O₄中后，可以通过与Co和O之间的电子相互作用改变局部的电子结构。在析氢反应中，Fe单原子可以作为活性位点吸附氢气分子并促进质子的还原过程。
   • Ni原子具有相对空的d轨道，能够有效地吸附反应中间体。在氧还原反应中，Ni单原子可以降低反应的活化能，提高反应速率。
2. 非金属原子
   • 稀土元素原子如Ce等也被研究用于Co₃O₄基单原子催化剂。Ce原子的4f电子结构使其具有特殊的氧化还原性能。它可以调节Co₃O₄的氧空位浓度，从而影响催化剂的活性。

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