基于二维材料的单原子催化材料设计制备及应用研究

The high catalytic performances have recently facilitated the rapid progress of the single-atom catalysts (SACs) in materials sciences. The single-atom active center of SACs shows characteristic properties of high surface energy, unsaturated coordination, and easily electron modulating from the support. This proposal is developing novel SACs based on two dimensional materials for new energy catalytic materials. The research will focus on fabricating catalysts consisting of metal single atoms (Co, Ni, etc.) on the surface of two dimensional materials (Graphene, MoS2, WS2, etc.) by using the anchoring and electronic coordinate to modulate the catalytic properties. Density functional theory (DFT) simulation will be performed by VASP and Material Studios to investigate the surface electronic distribution and the variation on ad-desorption energy. Techniques of EXAFS, HAADF-STEM, HRTEM, electrochemical, and chromatography will be used to characterize the structure and catalytic performances. The surface electronic modulating mechanisms between the single atom and the support will be interpreted by the comparison of theoretical and experimental results. This program will provide novel methods for designing SACs and will benefit the development of catalytic materials in new energy areas. It will also be meaningful to the development of SACs and two-dimentional materials.

单原子催化剂是性能优异的最小功能材料，其原子级分散度引起高表面自由能、不饱和配位及单原子与载体间相互作用，使其研究成为材料科学新兴热点，该领域研究核心为探索优质单原子载体和高效制备方法。项目瞄准新能源等领域催化反应，创制新型基于二维材料的单原子催化剂。核心是利用二维表面对单原子的锚定和电子协同作用调控催化性能，开发自组装诱导相变再洗脱的新型制备方法，可控制备负载于二维材料（MoS2、WS2、MoTe、WSe2、石墨烯等）表面的单原子（Co、Ni、Cu等）催化剂。拟采用第一性原理、密度泛函理论模拟单原子负载于二维表面后结构能量变化、电子分布、吸脱附能等信息；采用TEM、HAADF-STEM、EXAFS、电化学、色谱等技术表征结构及催化性质。理论实验对照阐释载体与单原子之间的电子调制对于材料表面电荷分离、传输以及对催化中心的活性调控。项目的完成将促进二维材料和单原子催化剂的发展。

项目瞄准单原子纳米材料及低维纳米材料在能源催化领域的的应用，通过实验设计和理论模拟，创制新型单原子低维纳米材料，探索了这些材料在光电催化领域的基础和应用研究。具体研究内容包括：.1.基于金属单原子低维纳米材料制备新方法，应用于光、电催化水分解制氢产氧，燃料电池正极醇类催化反应。制备基于金属纳米盘和半导体MoS2异质结纳米材料的单原子Co/MoS2纳米析氢电催化剂，创造性的开发化学法诱导相变制备金属相MoS2的新方法；.2.制备系列半导体低维纳米材料用于光催化水分解、光电化学水分解，光催化染料降解、光催化有机反应、电催化CO2还原反应等，创造性地利用化学法合成具有莫尔条纹能带可调的二维BiOCl光催化剂；.3.开发几种基于低维纳米材料的生物传感体系，用于肿瘤的分析检测和纳米模拟酶设计、制备与应用。. 我们出色完成本项目，取得多项突破性的成果。共计发表SCI论文36篇，影响因子大于10的论文22篇，还有多篇正在修改之中。共计授权14项中国发明专利和2项澳大利亚发明专利。本项目的完成有望进一步促进单原子材料和低维纳米材料的发展，具有重要的学术意义。项目资助培养博士后研究人员3人（1人已出站，2人在站），博士研究生21人（10人已毕业，11人在读），硕士研究生20人（11人已毕业，9人在读），培养了多名本科生在实验室内完成毕论文计和各类校内创新创业项目。