清华大学王定胜Carbon Energy:单原子催化助力“碳中和”研究进展

Single-atom catalysis for carbon neutrality

Ligang Wang, Dingsheng Wang*, Yadong Li

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.194

1.研究背景

据统计，2019年二氧化碳（CO₂）的全球碳排放量约为401亿吨，其中86%来自传统化石燃料的使用。排放的CO₂大量积累造成了严重地“温室效应”，进一步带来了全球气温升高、海平面上升等一系列严重地环境问题。最近，125个国家承诺在2050年前后实现“碳中和”。同时，我们国家也提出“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标。实现双碳目标的重要途径可以分为两个方面：1）将CO₂高效转化为碳氢燃料；2）利用非碳能源替代化石能源用于清洁电力和氢能的生产，进而利用电力和氢能替代化石燃料用于居民生活、交通和工业过程，从而实现二氧化碳大幅减排的目标。特别强调的是，具有近 100% 原子利用率的单原子催化剂（SACs）可以提供一个完美的研究平台，并在催化和能量转换和利用方面取得了令人鼓舞的进展。然而，目前关于SACs 在实现“碳中和”目标研究领域的评论文章相对较少。因此，系统而深入的阐述单原子助力实现“碳中和”的综述研究是非常迫切和需要的。

2.本文亮点

1：总结了单原子催化剂（包括 d-、ds-、p-和 f-区域元素）在二氧化碳还原和氢能及燃料电池研究中的实例介绍和性能表征。

2：揭示了各类单原子催化剂在提高其能量转换效率的过程中所发挥的重要作用。

3：讨论了当前SACs促进“碳中和”的挑战和未来的应用前景，例如认识到“碳中和”的一些误解并制定类似于半导体行业摩尔定律的“碳中和”的实用技术路线图”。并对于未来借助风能、核能等清洁能源实现能源结构体调控服务于“碳中和”的展望。

3.主要内容

在这篇综述中， 清华大学王定胜教授团队总结了最近关于单原子催化在电、光及热催化能源转化中的应用研究，这为高效清洁能源获取提供切实可行途径，也为实现“碳中和”提供可能。其主要是通过“开源”和“节流”措施来遏制碳排放，致力实现“碳中和”。我们重点介绍了运用独特结构的单原子催化剂通过光催化、电催化和热催化等技术将 CO₂高效转化为碳能源，如将 CO₂ 转化为碳氢化合物燃料（CO、CH₄、HCOOH、CH₃OH 和多碳链 [C₂₊] 产品）。此外，我们在文章中也介绍了引入先进的能量转换技术和装置来制备绿色可持续能源，进而替代传统的且污染严重的化石燃料，例如借助光催化和电催化水分解产生氢能和燃料电池中的高效氧还原反应（ORR）。值得注意的是，我们还详细阐述了单原子催化剂（包括 d-、ds-、p-和 f-区域）用于CO₂ 转化、水分解产氢和燃料电池中 ORR 的代表性示例，并且相应的介绍单原子催化剂的合成方法、表征和相应的催化活性，讨论了其“构效关系”。最后，本综述对单原子未来在促进“碳中和”方面的应用前景和所面临的挑战提出了一些展望。

文章以题为“Single-atom catalysis for carbon neutrality”为题发表在Carbon Energy 上。

相关论文信息

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论文标题：

Single-atom catalysis for carbon neutrality

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.194

DOI:10.1002/cey2.194

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