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DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63536-7

前言

近日，《催化学报》在线发表了上海大学张久俊院士、赵玉峰教授团队联合西安建筑科技大学王娟教授在电催化领域的关于双原子电催化剂的综述文章。该工作全面总结了当前双原子催化剂在制备、表征、应用方面的最新进展及面临的挑战。论文第一作者为西安建筑科技大学与上海大学联合培养学生张晶，论文共同通讯作者为：王娟，赵玉峰。

背景介绍

发展可持续和清洁的电化学能源转化技术是应对能源短缺和环境污染挑战的关键一步，燃料电池、电解电池和金属空气电池作为清洁能源储存和转换装置目前得到广泛应用推广，这些装置依靠电催化反应以及电极材料上发生的电荷转移过程来转换电能和化学能。而电催化剂是该类装置电极材料的核心部件，单原子催化剂 (SACs) 以其暴露的活性位点、高选择性和最大限度地原子利用率而受到人们的广泛关注。然而，随着单原子表面自由能的增加，粒子在制备和催化过程中的聚集，催化活性位点的降低和催化剂负荷的相对较低，严重制约了 SACs 的发展和应用。考虑到 SACs 的以上不足，为了进一步增加单原子活性位点的数量和负载，双原子催化剂 (DACs) 作为 SACs 家族成员的扩展近年来逐渐兴起，且两种金属原子（同核/异核）在 DACs 中的协同作用显著提高了催化剂的催化活性。目前，DACs 已成功地应用于各种电催化系统和电化学能源转换器件。本文从 DACs 的制备、表征及潜在应用等方面对 DACs 的研究现状进行了系统的综述。

本文亮点

（1） 基于目前的研究现状，系统地总结了同核双原子和异核双原子催化剂的优点。

（2） 结合当前的研究基础，重点对其双原子催化剂的制备、表征、电催化以及电化学能源器件方面的应用进行了详尽的总结归纳。

（3） 从技术和应用两个方面详细展望了双原子催化剂的机遇、发展和挑战趋势。

图文解析

1、图文摘要

      基于单原子催化剂（SACs），考虑到单个原子和支撑材料之间的接触面积小且相互作用相对较弱，为了进一步增加单原子活性位点数量和负载量，双原子催化剂（DACs）作为单原子催化剂扩展的家庭成员近年来开始新兴。尽管双原子催化剂方面的研究还处在萌芽阶段，但截止目前已报道的研究工作主要集中在两个方面：同核金属双原子催化剂和异核金属双原子催化剂，而其中大多研究与同核金属双原子相关。本文基于当前最新的研究工作对比了同核/异核DACs的不同优势。对于制备得到性能优异的DACs，一系列包括原子层沉积法、湿化学吸附法以及高温热处理法等在内的方法被列举，其中高温热处理法因应用广泛被重点强调。与此同时，本文也对DACs的表征和识别手段进行了重点概括，包含XANES，EXAFS，IR，DFT等。此外，对于当前DACs在电化学方面的主要应用方向也在文中进行了详细归纳和对比。主要应用以氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）为主。

2、DACs在电催化中的应用

2.1、ORR

      氢氧燃料电池是一种洁净高效、安全环保的新能源技术，燃料电池汽车是我国新能源汽车的重要发展方向，其中阴极 ORR 是燃料电池的核心催化反应之一。当前，贵金属铂资源的稀缺性和它的高成本以及 ORR 的动力学惰性严重限制了能源器件的进一步发展。为了解决这些问题，将催化剂的活性物种从颗粒降低到原子尺度是一个有效的策略对于提高催化剂的性能，以此同时，在原子尺度上设计 DACs 既弥补了 SACs 负载量低的缺陷，还利用双原子与载体之间的强相互作用提高了活性位点的本质活性，另外，金属双原子之间的协同作用对于 O-O 键的断裂具有很大的辅助优势。