Advanced Materials:二维电催化剂的新舞台:将地球丰量小分子电化学转化为高附加值化学品

空气(氮气,氧气)、水、海水(NaCl)和甲烷为代表的地球丰量小分子,是人类可以大规模零成本或者超低成本获取的基本原料,同时它们也是制备大宗产品例如氨气(NH3),双氧水(H2O2),氢气(H2),氯气(Cl2)和醇类(例如甲醇)的主要反应物。利用清洁能源驱动,通过电化学反应将上述丰量小分子电化学转换为相应的高附加值产物,无疑具有巨大的社会和环境效益。其一方面有利于构筑新型的清洁能源存储与转换系统,另一方面可实现更高效环保合成上述大宗产品。针对上述构想开发相应高效电化学器件业已引起重视,而其中的核心之一则是高性能电催化剂。过去十年,基于二维材料的电催化剂在燃料电池(ORR和HOR),电解水(OER和HER),金属空气电池(ORR/OER)、和二氧化碳还原(CO2RR)等电极反应取得广泛进展。而最近两年,二维电催化剂在上述新兴电化学反应中也取得了重要突破,相信在未来会扮演更重要的角色。

近日,格里菲斯大学清洁能源与环境中心赵惠军教授课题组,对二维电催化剂的最新进展进行了综述,主要包括氮气还原(N2 → NH3),两电子氧气还原(O2 → H2O2),甲烷部分氧化制备甲醇(CH4 → CH3OH)和氯气生成(Cl→Cl2)等新兴反应。相关结果以“2D Electrocatalysts for Converting Earth‐Abundant Simple Molecules into Value‐Added Commodity Chemicals: Recent Progress and Perspectives”为题,在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904870)。综述首先对电化学转化地球丰量小分子为高附加值化学品的重要性和前景进行了扼要介绍,并阐述了二维电催化剂的发展脉络和结构设计策略,突出了二维材料对于其他维度材料的优势。接下来对每一反应的基本机理,电催化剂研究现状和设计策略进行介绍,重点综述了二维催化剂在上述反应的研究进展,同时也展望了有前景的二维催化剂设计策略。作者相信上述新兴电化学反应即将成为二维电催化剂的新舞台。