清華大學張強ACR綜述：提高涉氣能源電催化性能的多尺度原則

【引言】

以氧氣還原（ORR）、氧氣析出（OER）、氫氣析出（HER）為代表的能源電催化是電解水制氫、燃料電池、金屬空氣電池等下一代清潔高效能源系統的核心技術，也是關鍵瓶頸。這些反應涉及多步質子耦合的電子轉移過程，過電勢很大，因而能量效率受限。目前，大量的研究工作集中在催化劑的開發研究，已有眾多材料有望取代貴金屬催化劑。但由于有氣體參與，實際反應只能在氣固液三相界面處有效發生。因此研究不僅需要從材料科學角度對催化劑進行設計，也要關注界面化學和反應行為，從不同層次綜合優化，方可實現性能的最大幅度提高和在能源器件中的高效應用。

近日，清華大學化工系張強教授課題組受邀在國際頂尖綜述期刊Accounts of Chemical Research上發表了題為“Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis”的綜述文章。該綜述系統總結了提高涉氣能源電催化性能的思路，從電子結構調控、多級形貌構筑和電極界面優化三個維度上闡述了催化劑的材料設計原則和合成策略，為未來涉氣能源電催化，以及其他重要的涉氣電催化反應（如電化學氮氣還原、二氧化碳還原等）提供了重要的指導和研究思路。

綜述TOC. 提高涉氣能源電催化性能的多尺度原則

綜述總覽圖

【圖文簡介】

圖1. 涉氣電催化反應在固態催化劑、液態電解液和氣體的三相界面處的行為

圖2. 無金屬納米碳材料的氮摻雜

摻氮碳納米管/石墨烯雜化物的（a,b）TEM照片，（c）XPS數據，（d）ORR和（e）OER活性。

圖3. 納米碳材料的拓撲缺陷的活性和利用

（a）石墨烯不同的摻雜和拓撲缺陷位點，（b）ORR/OER的火山型曲線。（c）氮摻雜石墨烯篩網的TEM照片和（d）ORR活性，（e）含有單分散鈷原子的氮摻雜石墨烯篩網的TEM照片和（f）結構示意圖。

圖4. 用于ORR的納米碳催化劑中的不同活性位及其催化機制關聯

圖5. 金屬化合物的陰陽離子調控

（a）Fe摻雜程度不同帶來的石墨烯/NiFe(O)OH相態轉變，（b）Fe摻雜量與石墨烯/NiFe(O)OH催化劑的OER活性關系，（c）陰離子調控策略的示意圖。

圖6. 表面富集活性位點

（a）用于ORR/OER的CNT@NCNT同軸碳纜結構，（b）三維石墨烯表面的摻氮碳富集，（c）三明治結構的摻氮碳/石墨烯/摻氮碳結構及其（d）ORR催化中的構效關系。

圖7. 納米限域雜化活性相

（a）NiFe LDH量子點限域生長在摻氮介孔石墨烯骨架中及其（b）TEM照片，（c）G@N-MoS₂的三維介孔范德華異質結及其（b）TEM照片。

圖8. 宏觀自支撐催化電極

（a）泡沫鎳表面的石墨烯層用于調節NiFe LDH的可控成核生長，（b）LDH/G/Ni表面LDH的TEM照片，（c）LDH/G/Ni基于NiFe LDH質量的OER催化性能的提高。

圖9. 三相界面處的微環境

（a）離子液體修飾的納米碳催化劑在ORR反應中三相界面處的微環境示意圖，（b）離子液體修飾后納米碳催化劑的疏水性增加，（c）ORR性能提高。

【總結與展望】

涉氣能源電催化對于基礎研究和實際應用都有著非常重要的意義。該綜述從普適的多相催化特點和催化劑構效關系出發，基于團隊前期工作，提出了“電子結構調控-多級形貌構筑-電極界面優化”的多尺度原則，對于未來的電催化研究有著很好的指導意義。同時，該論文也指出了未來研究中的挑戰和機遇，這不僅對于ORR/OER/HER非常重要，也將有助于CO₂還原、N₂還原等領域的研究。

（1）電子結構：通過實驗和理論結合，深入研究不同催化劑的真正活性位點，進而提出針對性的高效調控電子結構的策略；（2）多級形貌：借助先進的譜學和電鏡手段精確地表征催化劑多級形貌的結構和界面，同時需要開發新的方法合成大尺寸高負載量的催化劑；（3）電極界面：通過靜電紡絲或3D打印等手段設計制備更多智能化高效自支撐電極，包括水汽特性的三相界面處微環境也值得深入研究，這對于提高催化劑的活性和選擇性非常關鍵。

論文通訊作者為張強教授，作者為化工系博士生唐城和王浩帆。

近年來，張強教授團隊能源材料領域開展研究工作。在電催化領域，在碳基和非貴金屬電催化劑的電子結構調控、多級結構納米碳和復合催化劑的設計合成、宏觀電極構筑和器件演示等方面開展了大量研究，并取得了一系列具有國際影響力的進展。相關成果相繼發表在Advanced Materials 2015, 27, 4516; Science Advances, 2016, 2, e1600495; Advanced Materials 2016, 28, 6845; Nature Communications 2017, 8, 934; Advanced Materials 2017, 29, 1604103; Advanced Materials 2017, 29, 1703185; Advanced Materials 2017, 29, 1702327; Journal of Energy Chemistry 2017, 26, 1077-1093; Advanced Materials 2018, 30, 1705110等。

文獻鏈接：Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00616)

本文由清華大學張強教授團隊提供，特此感謝。

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