作者:张华等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/30 17:07:07
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湿化学方法合成用于电催化反应的二维金属催化剂

近年来,化石燃料的过度消耗导致了日益严重的全球能源和环境危机,开发清洁、高效、可持续的能源转换技术已成为未来的趋势。电催化反应是目前生产清洁能源最具前景的方法之一。借助电能驱动的电化学反应,人们可以有效地将水和二氧化碳等环境中常见的不可燃物质转化为氢气、一氧化碳、烷烃类和醇类等可再生燃料。然而电催化能源转换技术的商业化应用却受限于电化学反应动力学迟缓,以及电催化剂的成本较高和稳定性较差等问题。因此,合理设计和制备高效、稳定且低成本的电催化剂已成为新能源转换领域最热门的研究方向之一。二维金属纳米材料凭借着其巨大的比表面积、丰富的活性位点、优异的电子传导能力以及易于调控的表界面结构等优势,在电催化领域展现出广阔的应用前景。

在诸多合成方法中,使用各式各样配体的湿化学合成方法被认为是大批量合成二维金属纳米材料最有效的策略。最近,香港城市大学张华教授等在《国家科学评论》 (National Science Review, NSR) 发表题为“Wet-Chemical Synthesis of Two-Dimensional Metal Nanomaterials for Electrocatalysis”的综述文章。香港城市大学化学系博士生李子健和翟傈为本文的共同第一作者。本文综述了近年来各种二维金属纳米材料的湿化学合成及其在电催化中的应用的研究进展,并展望了设计与制备高性能二维金属电催化剂的前景。

可控合成具有不同组分、形貌、厚度、尺寸及晶相的二维金属纳米材料是探索其物理化学性质和实现电催化商业化应用的关键要素。本文中,作者总结了一系列具有代表性的二维金属纳米材料湿化学合成方法,包括配体辅助、气体分子辅助、模板法合成、空间限域生长、种子生长等,并总结了这些报道中二维金属纳米材料的厚度、尺寸、暴露晶面以及晶相。作者详细整理了近年来二维金属纳米材料在各种电化学反应中的应用进展,包括水分解(析氢反应和析氧反应)、氧还原反应、甲醇/乙醇氧化反应、甲酸氧化反应和二氧化碳还原反应等,并分析总结了这些材料在电催化反应中的结构-性能的构效关系。

此外,尽管人们在设计和制备二维金属电催化剂方面已取得了一定的进展,但仍然存在许多挑战。基于目前的研究进展,作者提出了目前面临的一些挑战和潜在的研究方向,包括:i)使用原位表征技术(如in situ-SAXS和in situ-EXAFS等)来研究二维金属纳米材料的形成机理;ii)使用人工智能(AI)等先进技术预测和设计多元或高熵二维合金纳米材料来丰富二维金属纳米材料库;iii)精细调控二维金属纳米材料的结构,利用厚度调控、晶面工程、缺陷工程以及晶相工程来得到具有最佳催化性能的二维金属电催化剂。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab142

 
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