摘要: 发展可再生电化学能源转换和存储技术以及将CO2再次转化为碳氢化合物有望解决全球能源短缺和环境污染问题。目前，析氧反应(OER)作为电解水技术的关键和光催化CO2还原成为重点研究方向；而Co基催化剂(比如，Co3O4等)因其优异的OER或CO2还原性能成为研... 展开 发展可再生电化学能源转换和存储技术以及将CO2再次转化为碳氢化合物有望解决全球能源短缺和环境污染问题。目前，析氧反应(OER)作为电解水技术的关键和光催化CO2还原成为重点研究方向；而Co基催化剂(比如，Co3O4等)因其优异的OER或CO2还原性能成为研究的重点。因此，为加深对Co基催化剂的认识，本文选用OER和光催化CO2还原为探针反应，系统考察了Co的价态、几何结构以及Co单原子对探针反应的影响。具体研究内容如下： 首先，为解决Co3O4中关于不同价态Co离子在OER反应中活性位点的争议问题，选取Co3O4中只含有Co2+暴露的(111)面和只含有Co3+暴露的(110)-B面为理想模型以及制备了三种尺寸可控且仅含有Co2+的(111)暴露面的二维Co3O4六方片为模型催化剂；采用理论与实验相结合的策略，系统研究了模型催化剂在OER反应中的催化活性；结果表明：Co3+在OER反应中起着至关重要的作用。 其次，为考察不同几何结构的Co离子对OER反应的影响，分别制备了同时含有Co2+(Td)和Co3+(Oh)的Co3O4-7.5、仅含有Co3+(Oh)的ZnCo2O4-7.5、只含有Co2+(Td)的CoAl2O4-7.5以及仅含有Co2+(Oh)的CoO-7.5六方片四种二维催化剂；并系统研究了所制备材料中不同金属离子的几何构型及其在OER反应中的催化活性。实验结果进一步表明：Co3O4材料中八面体结构的Co3+才是OER反应中的主要活性位点以及最佳几何结构；并且Co2+(Oh)比Co2+(Td)更有利于OER反应的进行。 最后，为探究单原子Co的掺杂对催化性能的影响，成功制备了具有原子分散的超薄Co1-Ti1-xO2二维纳米片单原子催化剂，并将其应用在光催化CO2还原反应中；实验结果表明Co1-Ti1-xO2单原子Co基催化剂具有较高的催化活性和循环稳定性。此外，通过理论计算研究了三种目标催化剂中唯独Co的掺杂能够显著提高催化活性的原因及其反应机理。 收起