【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】3月12日，國際頂級期刊Chemical Reviews在線刊發(fā)了我校集成電路學(xué)院王春棟教授團隊關(guān)于鈣鈦礦型ABO3氧化物在能源轉(zhuǎn)化方面的最新綜述“Perovskite Type ABO3 Oxides in Photocatalysis，Electrocatalysis，and Solid Oxide Fuel Cells：State of the Art and Future Prospects”。集成電路學(xué)院王春棟、羅為教授和澳大利亞科廷大學(xué)邵宗平教授為共同通訊作者，學(xué)院原博士后Muhammad Humayun博士(現(xiàn)沙特阿拉伯利雅得蘇丹王子大學(xué)助理教授)為論文第一作者，我校集成電路學(xué)院、武漢光電國家研究中心為論文第一完成單位。
 

　　圖1.ABO3型鈣鈦礦A位和B位替位式摻雜/取代元素，通過對其進行調(diào)控，可實現(xiàn)高的電催化、光催化和燃料電池性能(左)。鈣鈦礦氧化物催化性能提升可行性策略(右)。

 

　　光催化和電催化技術(shù)對于應(yīng)對能源和環(huán)境挑戰(zhàn)至關(guān)重要，因此人們投入了大量精力來研究和開發(fā)先進的催化劑。其中，鈣鈦礦型 ABO3氧化物因其靈活的物理和化學(xué)性質(zhì)而展現(xiàn)出非常有前景的催化活性。本文綜述了鈣鈦礦型ABO3氧化物合成的基本原理和最新進展，詳細討論了電催化析氧反應(yīng)(OER)、氧還原反應(yīng)(ORR)、析氫反應(yīng)(HER)、氮還原反應(yīng)(NRR)、二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)和金屬-空氣電池的機理。此外，還綜述了光催化分解水、CO2轉(zhuǎn)化、污染物降解和固氮。文中亦強調(diào)了鈣鈦礦型ABO3氧化物在固體氧化物燃料電池(SOF)中的應(yīng)用。最后，探討了鈣鈦礦型ABO3氧化物在各個領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并展望了當(dāng)前和未來面臨的挑戰(zhàn)。本文旨在全面概述鈣鈦礦型ABO3氧化物基催化劑的最新進展及其在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用，并為這些熱門研究領(lǐng)域的未來發(fā)展提供指導(dǎo)。
 

　　鈣鈦礦型ABO3氧化物因其獨特的晶體結(jié)構(gòu)、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)而受到重視。理想情況下，單個鈣鈦礦型ABO3氧化物具有一個立方晶體晶胞(空間群Pm3m)，其結(jié)構(gòu)由一個柔性框架組成，該框架由共享BO6八面體的角鏈(B 位陽離子與六個氧陰離子配位)組成，并且A位陽離子(12倍配位)占據(jù)立方八面體對稱性的中心位置。A位陽離子(A2+)比B位陽離子(B4+)尺寸更大，而氧陰離子以O(shè)2-的形式存在。在鈣鈦礦型ABO3氧化物中，A位陽離子通常包括鑭系元素、堿或堿土元素，而B位陽離子包括過渡金屬，如Co、Mn、Cr、Fe、Ti和Ni。在A位點和B位點，均可以通過調(diào)整多種元素來改變其組成，這為鈣鈦礦材料的多樣性特性提供了可能。大量的研究集中在通過摻雜不同元素取代A位點和B位點，從而開發(fā)具有高催化性能的新型功能材料。此外，由于鈣鈦礦的晶格畸變，其對稱性可以調(diào)整為四方、斜方、單斜和菱面體結(jié)構(gòu)，因為不同的陽離子具有不同的離子半徑。晶格畸變極大地影響了鈣鈦礦的電子特性、晶場效應(yīng)和偶極矩，最終影響電荷載流子的激發(fā)和轉(zhuǎn)移，從而顯著改變了催化性能。元素周期表突出顯示了用于設(shè)計和合成一些重要的鈣鈦礦型 ABO3氧化物的元素組成。合成鈣鈦礦型ABO3氧化物時，通常優(yōu)先選擇某些具有適當(dāng)氧化態(tài)的元素。這些氧化物中的A位通常包含較大的堿性或稀土金屬(例如Ca、Sr、La等)，而B位通常包含較小的過渡金屬(例如Ti、Mn、Fe等)。在元素周期表中突出顯示這些元素展示了定制鈣鈦礦特性的豐富選擇，這對于提升催化、能量轉(zhuǎn)換和電子材料等各種應(yīng)用的性能至關(guān)重要。
 

　　圖2.(a)鈣鈦礦氧化物晶胞(ABX3)的示意圖，以及(b)通過角共享八面體連接的鈣鈦礦氧化物的晶體結(jié)構(gòu)。(c)理想的ABO3鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)在所有三個空間方向上都表現(xiàn)出傾斜。BO6八面體沿不同方向發(fā)生畸變，這降低了立方結(jié)構(gòu)的對稱性，從而形成替代晶體結(jié)構(gòu)。正號表示同相旋轉(zhuǎn)(c+)，而負號表示異相旋轉(zhuǎn)(c–)，兩者都發(fā)生在z軸周圍。(d)元素周期表突出顯示了用于設(shè)計和合成鈣鈦礦型ABO3氧化物的元素組成。
 

　　鈣鈦礦氧化物因其在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境修復(fù)方面的潛在應(yīng)用而被廣泛研究。本綜述全面回顧了鈣鈦礦型ABO3氧化物在各個領(lǐng)域的合成和優(yōu)化及其最新進展。重要的是，催化劑的本征特性和工作條件對其整體催化性能起著重要作用。由于各種催化過程的反應(yīng)系統(tǒng)存在差異，因此開發(fā)一種適用于所有催化劑的通用設(shè)計方法具有挑戰(zhàn)性。然而，催化劑設(shè)計有一些總體規(guī)則需要遵守，特別是本體成分控制、電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面改性、異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造、雙功能優(yōu)化、穩(wěn)定性優(yōu)化以及原位和原位表征的順序。
 

　　該綜述是王春棟團隊在能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面的階段性研究成果。團隊長期從事電催化的探索，近三年在能源轉(zhuǎn)化研究方面取得了一系列研究成果。