Advanced Functional Materials:问碳哪得活如许,为有本征缺陷来

碳基纳米材料被认为是Pt等贵金属催化剂的理想替代品,已被广泛应用于电化学反应中。由于其结构组成的易调控性,可通过各种手段提高碳基框架的活性位密度,优化关键中间体的吸附活化过程,从而显著降低电催化反应的过电势。近年来,缺陷工程已成为提升碳基电催化剂性能的重要策略。碳材料的缺陷主要包括本征缺陷与非本征缺陷。非本征缺陷源于异质原子的掺杂,而本征缺陷是指纯碳网络中存在的缺陷物种,主要包括边缘、空位、孔洞及拓扑结构缺陷等。由于本征缺陷在碳基框架中必然存在,并且能够有效诱导碳基的局域电荷密度重排,使原本非活性的碳原子转换为高活性中心直接参与反应,因而其电催化活性贡献不容忽视。

武汉理工大学木士春教授团队基于近期相关研究工作及已有文献报道,对本征碳缺陷电催化应用的最新进展进行了系统评述。他们首先简要概述了纳米催化剂缺陷工程的含义,即包括缺陷的定向构筑、缺陷几何构型及浓度的表征、缺陷基催化剂的活性评估、缺陷位点的电子结构和催化作用机制,以及缺陷基催化剂的规模化制备等方面。继而从本征缺陷的几何构型出发,详细论述了不同本征碳缺陷位点的构筑策略及催化应用,从理论模拟与实验验证的角度对富含本征缺陷的碳基电催化剂的反应机制进行分析。紧接着,他们介绍了本征碳缺陷与杂原子点缺陷对碳位点电子结构的协同优化效应,以及本征碳缺陷对高活性金属单原子的捕获效应。此外,还系统总结了目前应用于本征缺陷位点物性表征的手段,包括对其几何构型的可视化观测技术,以及对其缺陷浓度信息、表面电子态的光谱学表征技术,为缺陷催化的研究提供技术指南。最后,简要评述了本征碳缺陷参与的活性位点的构效关系,并就目前面临的挑战对缺陷电催化领域的未来发展进行了全面的展望。

该综述从缺陷工程的角度探讨了本征碳缺陷作为电催化活性中心的研究进展,对其构筑策略、表征手段、构效关系及催化机制进行系统阐释,为未来缺陷基电催化剂的研发与应用提供必要的理论依据和技术指导。相关论文以Defect Engineering in the Carbon-Based Electrocatalysts: Insight into the Intrinsic Carbon Defects为题目在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001097)上,博士研究生朱加伟为第一作者,武汉理工大学木士春教授为通讯作者。