2022年12月1日，北京化工大学胡传刚教授和澳大利亚新南威尔士大学戴黎明教授在清华大学主办的高水平学术期刊Nano Research Energy上发表题为“Recent progress in carbon-based electrochemical catalysts: from structure design to potential applications”关于碳基无金属电催化剂进展与展望的综述。

图1. 2015年以来C-MFECs重要发展的时间表。

为解决化石燃料过度使用所引起的能源短缺和环境污染问题，燃料电池、电解水装置和金属空气电池等绿色能源转换和存储装置已被广泛研究。而催化电极是决定这些装置性能的核心部件。目前的商业催化剂主要是贵金属（如Pt，Ir，Ru）材料。然而，贵金属昂贵的价格及有限的储量大大限制了绿色能源器件的大规模使用。研究者试图开发非贵金属催化剂来替代贵金属催化剂，但非贵金属催化剂缺乏在苛刻反应条件下的稳定性，甚至面临催化效率依旧偏低等问题。

碳材料具有多种优势，包括高的地壳丰度，良好的导电性，大的比表面积，以及在分子水平上的结构可调性，为低成本、高性能的无金属碳基电催化剂（C-MFECs）开发提供了可能性。自2009年氮掺杂碳纳米管被发现可作为杂原子掺杂的C-MFECs用于催化燃料电池阴极氧还原反应以来（Science 2009, 323, 760），无金属碳基催化剂已经取得了蓬勃的发展。本文主要综述最近几年（主要是自2015年以来）用于能量转换与储存所涉及反应的C-MFECs研究进展，包括最新的本征催化活性位点调控（如，碳骨架中杂原子和缺陷协同调控）；分级有序多孔结构、高度有序三维组装结构、新型结构碳材料/复合材料的构建与合成；最近发展的催化机理；以及清洁能源存储和转化相关的应用（例如，N₂ / NO₃^-还原反应，尿素合成，金属-CO₂电池，Li-N₂电池等）。还分析了碳基无金属电催化领域当前面临的挑战和未来的机遇，为其在催化过程中的潜在应用提供一些前瞻性的见解。

图2. （a）首个MOF衍生的N掺杂多孔碳用于氮气还原合成氨。（b）B, N双原子掺杂多孔石墨烯用于“Li-CO₂”电池的催化电极。（c）碳纳米管用于全固态、可折叠“Li-CO₂”电池。（d, e）N掺杂的碳管/石墨烯复合材料用于首个“K-CO₂”电池。（f）基于碳布的首个“Li-N₂”电池。（g）基于N, P共掺杂多孔碳材料的“Li-I₂”电池。（h）基于活化炭黑电催化剂的“Zn-空”电池，绿色产电换的同时，制备高附加值的H₂O₂。（i）Si, N共掺杂的C-MFEC作为CO₂RR和OER双功能催化剂用于整体CO₂全分解。（j）可穿戴眼镜中的N, P-共掺杂碳多孔碳用于溶解氧的检测，以监测眼部健康。

注：涉及的参考文献详见原文。

相关论文信息：

J. Yan, F. Ye, Q. Dai, et al. Recent progress in carbon-based electrochemical catalysts: From structure design to potential applications. Nano Research Energy. 2022, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120047.

DOI：10.26599/NRE.2023.9120047

Nano Research Energy 是Nano Research姊妹刊，(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊，由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文，已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系：NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn