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香港科技大学: 用于可持续能源转化和存储的碳基催化剂

研究背景



可持续能源转化和存储装置在现代能源系统中发挥着越来越重要的作用。作为其典型代表,燃料电池,水电解池,以及金属空气电池得到了广泛的关注。开发用于其电极反应(氧还原反应(ORR), 氧氧化反应(OER), 氢生成反应(HER)的高效电催化剂是提升能源转化效率的关键。碳基电催化剂具有来源广泛,结构可调,高电导率,以及环境兼容等优点,因此被广泛研究用于ORR/OER/ HER催化以及上述可持续能源装置当中。由于科研人员的集体努力,近年来对碳基催化剂的理解和开发取得了很大的进展。

▲图1. 碳材料的多种纳米形状。

        
▲ 图2. 近年来碳基材料用于催化ORR/OER/HER的研究文献数量。

成果简介


近日香港科技大学王健博士,Francesco CIUCCI教授协同中科院工程热物理研究所,西安交通大学,南京工业大学多家合作单位系统综述了碳基催化剂用于可持续能源转化的最新(2015-2020年)进展,涵盖多种碳材料系统,以及其合成方法,性能调控策略,催化机理和性能分析。相关成果以“Carbon-based Electrocatalysts for Sustainable Energy Applications”为题发表在材料学国际顶级期刊Progress in Materials Science (IF = 31.56) 上。

核心内容


文章首先介绍了ORR/OER/HER催化的基础知识,包括反应基元步骤和性能评价指标。接着详细地阐述了目前常用的碳基催化剂的合成方法,包扩热解法,水热法,化学沉积法,球磨法,电弧放电法,涵盖每种制备方法的详细过程,影响因素以及优缺点分析。此外,使用两种特殊前驱体(生物质 (biomass)和金属有机框架 (MOFs))来制备碳基催化剂得到了详细的介绍。

▲图3.  酸性以及碱性溶液中ORR/OER/HER催化的基元步骤。
  
▲图4.合成碳材料的常见方法示意图:热解,水热,化学沉积,和球磨。

文章进而详尽地综述了4大类12小点方法来调控碳基催化剂的性能,包含异质原子掺杂(单原子掺杂,多原子掺杂,氮掺杂的活性位点研究,掺杂元素的空间分布,超级掺杂), 表面功能化,内部缺陷以及边缘调节,多孔结构(外模板法,自模板法),纳米形状调控 (打破MOFs制备碳的形状限制)。

▲图5. 调控碳基催化剂性能的一些常用方法示意图。

由于简单无金属碳的性能不尽人意,碳基材料经常和其他活性物质混合来提升性能。文章除了无金属碳之外,也对各种碳混合物催化剂做了详细的介绍,包括碳碳混合物,碳/C3N4 混合物,金属修饰氮掺杂碳(M-N-C), 碳基单原子催化剂,碳基多原子/多金属催化剂,碳基金属氧化物(钙钛矿型,尖晶石型,其他型)催化剂, 碳基碳化物,氮化物,硫化物,磷化物催化剂,以及自我支撑的碳基催化剂。

▲图6. 不同异质原子掺杂到碳材料中的结构。

结论与展望


文章对碳基材料用于ORR/OER/HER 催化以及燃料电池,水电解池,金属空气电池的最新进展做了详细的综述,同时提供了详细的方法用以改善碳基材料的性能。并且对目前碳基催化剂商用所面临的挑战以及前景做了分析。文章提供了一个综合性的平台供读者了解学习碳基催化剂,同时启发科研人员共同努力加速碳基催化剂应用于可持续能源装置当中。


Wang,  J.,  Kong,  H.,  Zhang,  J.,  Hao,  Y.,  Shao,  Z.,  Ciucci,  F.,  Carbon-based Electrocatalysts for Sustainable Energy Applications, Progress in Materials Science (2020), doi:
 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100717 

研之成理


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