石墨烯负载的单原子电催化剂

　　电催化在各类电化学能源转换过程中扮演了至关重要的角色，因此开发高活性、稳定且廉价的电催化剂具有积极的现实意义。单原子催化剂兼具均相催化剂和异相催化剂的优势；石墨烯具有大的表面积、高的导电性和电化学稳定性，是负载单原子的理想载体之一。鉴于此，加州大学洛杉矶分校的段镶锋课题组与北京同步辐射装置的研究人员合作，从合成策略、原子结构表征和电催化应用三个方面系统总结了石墨烯负载的单原子电催化剂（G-SACs）的最新进展，并对未来发展进行了展望。相关研究成果以综述文章发表在2019年10月21日的《Chem. Soc. Rev.》上。 

　　金属原子的高迁移性和易于团聚的特点限制了原始石墨烯用作G-SACs的载体。为了锚定金属原子和避免原子团聚，一般需要对石墨烯进行缺陷化或功能化处理，论文作者对一些常用的G-SACs合成策略进行了总结，包括：热解和活化（按前驱体可分为：分子/聚合物，氧化石墨烯和金属有机骨架），电子/离子辐照，球磨，原子层沉积，光化学还原和液相合成。 

　　图：石墨烯负载的单原子电催化剂和利用全局化XAS分析方法进行结构解析示意图 

　　G-SACs活性位点的结构解析是建立催化剂构效关系的基础，同步辐射X射线吸收谱（XAS）是目前研究G-SACs最有效的实验技术之一，因而如何利用XAS提取可靠的局域结构信息极为重要。论文作者首先简介了XAS（包括EXAFS和XANES）的物理机制和数据处理方法，通过分析相关应用实例以及结合EXAFS和XANES分别对中心吸收原子周围配位原子的径向分布和三维空间构型敏感的特点，指出全局化XAS分析方法对精确解析金属原子配位构型的重要性，而且该方法对各类电催化剂结构研究具有普适性参考价值。 

　　论文作者还总结了G-SACs在电催化领域的一系列应用，包括ORR，HER，OER，CO2RR，NRR等，并在最后指出G-SACs领域的研究还需要进一步提高金属原子载量，系统调控配位结构和建立准确的构效关系，以及利用原位实验技术揭示真实活性位点和各类催化反应的动态过程。 

　　发表文章： 

　　Huilong Fei, Juncai Dong, Dongliang Chen, Tiandou Hu, Xidong Duan, Imran Shakir,* Yu Huang* and Xiangfeng Duan*. Single atom electrocatalysts supported on graphene or graphene-like carbons. Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 5207.