2025年3月12日，《Chemical Reviews》（IF=51.4）在線刊發我院王春棟教授團隊關于鈣钛礦型 ABO3 氧化物在能源轉化方面的最新綜述“Perovskite Type ABO3 Oxides in Photocatalysis, Electrocatalysis, and Solid Oxide Fuel Cells: State of the Art and Future Prospects”。我院王春棟教授、羅為教授，和澳大利亞科廷大學邵宗平教授為共同通訊作者，原博後Muhammad Humayun博士（現沙特阿拉伯利雅得蘇丹王子大學助理教授）為論文第一作者，6774澳门永利/武漢光電國家研究中心為論文第一完成單位。
圖 1. ABO3型鈣钛礦A位和B位替位式摻雜/取代元素，通過對其進行調控，可實現高的電催化、光催化和燃料電池性能（左）。鈣钛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對于應對能源和環境挑戰至關重要，因此人們投入了大量精力來研究和開發先進的催化劑。其中，鈣钛礦型 ABO3 氧化物因其靈活的物理和化學性質而展現出非常有前景的催化活性。本文綜述了鈣钛礦型 ABO3 氧化物合成的基本原理和最新進展。詳細讨論了電催化析氧反應 （OER）、氧還原反應 （ORR）、析氫反應 （HER）、氮還原反應 （NRR）、二氧化碳還原反應 （CO2RR） 和金屬-空氣電池的機理。此外，還綜述了光催化分解水、CO2 轉化、污染物降解和固氮。文中亦強調了鈣钛礦型 ABO3 氧化物在固體氧化物燃料電池 （SOF） 中的應用。最後，探讨了鈣钛礦型 ABO3 氧化物在各個領域的應用前景，并展望了當前和未來面臨的挑戰。本文旨在全面概述鈣钛礦型 ABO3 氧化物基催化劑的最新進展及其在能源轉換和環境修複中的應用，并為這些熱門研究領域的未來發展提供指導。
ABO3 鈣钛礦氧化物最初是由礦物 CaTiO3 引發的，該礦物于1839年由德國科學家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）首次在烏拉爾山脈發現。這種礦物後來被稱作為“鈣钛礦”，以緻敬列夫·阿列克謝維奇·馮伯爵Perovski（俄羅斯礦物學家）。到目前為止，已經發現了諸多類型的鈣钛礦，形成了廣泛的 ABO3 氧化物系列。鈣钛礦型 ABO3 氧化物因其獨特的晶體結構、高化學和熱穩定性以及可調節的結構而受到重視。理想情況下，單個鈣钛礦型 ABO3 氧化物具有一個立方晶體晶胞（空間群 Pm3m），其結構由一個柔性框架組成，該框架由共享 BO6 八面體的角鍊（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 O2- 的形式存在。在鈣钛礦型 ABO3 氧化物中，A 位陽離子通常包括镧系元素、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，均可以通過調整多種元素來改變其組成，這為鈣钛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，從而開發具有高催化性能的新型功能材料。此外，由于鈣钛礦的晶格畸變，其對稱性可以調整為四方、斜方、單斜和菱面體結構，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钛礦的電子特性、晶場效應和偶極矩，最終影響電荷載流子的激發和轉移，從而顯著改變了催化性能。元素周期表突出顯示了用于設計和合成一些重要的鈣钛礦型 ABO3 氧化物的元素組成。合成鈣钛礦型 ABO3 氧化物時，通常優先選擇某些具有适當氧化态的元素。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钛礦特性的豐富選擇，這對于提升催化、能量轉換和電子材料等各種應用的性能至關重要。
圖2. （a） 鈣钛礦氧化物晶胞 （ABX3） 的示意圖，以及 （b） 通過角共享八面體連接的鈣钛礦氧化物的晶體結構。（c） 理想的 ABO3 鈣钛礦晶體結構在所有三個空間方向上都表現出傾斜。[BO6] 八面體沿不同方向發生畸變，這降低了立方結構的對稱性，從而形成替代晶體結構。正号表示同相旋轉 （c+），而負号表示異相旋轉 （c–），兩者都發生在 z 軸周圍。（d） 元素周期表突出顯示了用于設計和合成鈣钛礦型 ABO3 氧化物的元素組成。
鈣钛礦氧化物因其在能源轉換和環境修複方面的潛在應用而被廣泛研究。本綜述全面回顧了鈣钛礦型 ABO3 氧化物在各個領域的合成和優化及其最新進展。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着重要作用。由于各種催化過程的反應系統存在差異，因此開發一種适用于所有催化劑的通用設計方法具有挑戰性。然而，催化劑設計有一些總體規則需要遵守，特别是本體成分控制、電子結構優化、表面改性、異質結構制造、雙功能優化、穩定性優化以及原位和原位表征的順序。
這綜述是王春棟教授在能源轉化應用方面的階段性研究成果。團隊長期從事電催化的探索，近三年在能源轉化研究方面取得了系統的研究成果（Adv. Mater., 2024, 2400523；Adv. Funct. Mater. 2023, 2303986；Adv. Funct. Mater. 2024, 2401011；Adv. Funct. Mater. 2024, 2408872; Adv. Funct. Mater，2024, 2408823; ACS Nano 2023, 17, 10906；ACS Nano 2024, 18, 1214；ACS Catalysis 2024, 14, 12051; Chem Catalysis, 2024, 100840; Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 3, 1174-1186.）。
文章連接
Perovskite Type ABO3 Oxides in Photocatalysis, Electrocatalysis, and Solid Oxide Fuel Cells: State of the Art and Future Prospects
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00553
