清华大学张强ACR综述：提高涉气能源电催化性能的多尺度原则

【引言】

以氧气还原（ORR）、氧气析出（OER）、氢气析出（HER）为代表的能源电催化是电解水制氢、燃料电池、金属空气电池等下一代清洁高效能源系统的核心技术，也是关键瓶颈。这些反应涉及多步质子耦合的电子转移过程，过电势很大，因而能量效率受限。目前，大量的研究工作集中在催化剂的开发研究，已有众多材料有望取代贵金属催化剂。但由于有气体参与，实际反应只能在气固液三相界面处有效发生。因此研究不仅需要从材料科学角度对催化剂进行设计，也要关注界面化学和反应行为，从不同层次综合优化，方可实现性能的最大幅度提高和在能源器件中的高效应用。

近日，清华大学化工系张强教授课题组受邀在国际顶尖综述期刊Accounts of Chemical Research上发表了题为“Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis”的综述文章。该综述系统总结了提高涉气能源电催化性能的思路，从电子结构调控、多级形貌构筑和电极界面优化三个维度上阐述了催化剂的材料设计原则和合成策略，为未来涉气能源电催化，以及其他重要的涉气电催化反应（如电化学氮气还原、二氧化碳还原等）提供了重要的指导和研究思路。

综述TOC. 提高涉气能源电催化性能的多尺度原则

综述总览图

【图文简介】

图1. 涉气电催化反应在固态催化剂、液态电解液和气体的三相界面处的行为

图2. 无金属纳米碳材料的氮掺杂

掺氮碳纳米管/石墨烯杂化物的（a,b）TEM照片，（c）XPS数据，（d）ORR和（e）OER活性。

图3. 纳米碳材料的拓扑缺陷的活性和利用

（a）石墨烯不同的掺杂和拓扑缺陷位点，（b）ORR/OER的火山型曲线。（c）氮掺杂石墨烯筛网的TEM照片和（d）ORR活性，（e）含有单分散钴原子的氮掺杂石墨烯筛网的TEM照片和（f）结构示意图。

图4. 用于ORR的纳米碳催化剂中的不同活性位及其催化机制关联

图5. 金属化合物的阴阳离子调控

（a）Fe掺杂程度不同带来的石墨烯/NiFe(O)OH相态转变，（b）Fe掺杂量与石墨烯/NiFe(O)OH催化剂的OER活性关系，（c）阴离子调控策略的示意图。

图6. 表面富集活性位点

（a）用于ORR/OER的CNT@NCNT同轴碳缆结构，（b）三维石墨烯表面的掺氮碳富集，（c）三明治结构的掺氮碳/石墨烯/掺氮碳结构及其（d）ORR催化中的构效关系。

图7. 纳米限域杂化活性相

（a）NiFe LDH量子点限域生长在掺氮介孔石墨烯骨架中及其（b）TEM照片，（c）G@N-MoS₂的三维介孔范德华异质结及其（b）TEM照片。

图8. 宏观自支撑催化电极

（a）泡沫镍表面的石墨烯层用于调节NiFe LDH的可控成核生长，（b）LDH/G/Ni表面LDH的TEM照片，（c）LDH/G/Ni基于NiFe LDH质量的OER催化性能的提高。

图9. 三相界面处的微环境

（a）离子液体修饰的纳米碳催化剂在ORR反应中三相界面处的微环境示意图，（b）离子液体修饰后纳米碳催化剂的疏水性增加，（c）ORR性能提高。

【总结与展望】

涉气能源电催化对于基础研究和实际应用都有着非常重要的意义。该综述从普适的多相催化特点和催化剂构效关系出发，基于团队前期工作，提出了“电子结构调控-多级形貌构筑-电极界面优化”的多尺度原则，对于未来的电催化研究有着很好的指导意义。同时，该论文也指出了未来研究中的挑战和机遇，这不仅对于ORR/OER/HER非常重要，也将有助于CO₂还原、N₂还原等领域的研究。

（1）电子结构：通过实验和理论结合，深入研究不同催化剂的真正活性位点，进而提出针对性的高效调控电子结构的策略；（2）多级形貌：借助先进的谱学和电镜手段精确地表征催化剂多级形貌的结构和界面，同时需要开发新的方法合成大尺寸高负载量的催化剂；（3）电极界面：通过静电纺丝或3D打印等手段设计制备更多智能化高效自支撑电极，包括水汽特性的三相界面处微环境也值得深入研究，这对于提高催化剂的活性和选择性非常关键。

论文通讯作者为张强教授，作者为化工系博士生唐城和王浩帆。

近年来，张强教授团队能源材料领域开展研究工作。在电催化领域，在碳基和非贵金属电催化剂的电子结构调控、多级结构纳米碳和复合催化剂的设计合成、宏观电极构筑和器件演示等方面开展了大量研究，并取得了一系列具有国际影响力的进展。相关成果相继发表在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。

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

本文由清华大学张强教授团队提供，特此感谢。

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