Advanced Science:为能而生 ——优化过渡金属硫族化合物结构促进水分解

随着新型能源在国民生产生活中的涌现,如何进一步推动新型能源的发展,优化新能源体系,降低新能源转化成本,成为研究人员日益关心的重点。在目前的能源体系中,不可再生型能源,如煤、石油和天然气等占全球能源总消费的80%以上,已经给全球环境和生态造成了很严重的问题,日益威胁着人类仅有的生存环境。为此,新型清洁能源得到了大力的研究发展,新型电动汽车越来越受到大家的广泛青睐;人们也意识到了保护环境维持生态平衡的重要性。但是,新型电动汽车的背后,我们依然面临电从何而来的问题。众所周知,热力发电、核能、太阳能、风能和水力发电是主要的电力来源,虽然太阳能、风能和水力发电具有无排放且节能的优点,但是目前主要的发电方式仍以热力发电为主;同时,电动汽车电池的构筑因为贵金属电极的加入大大提升了其制造成本,也限制了其更大规模的广泛应用。因此,进一步发展新型清洁能源、降低使用成本是目前研究的关键课题。

氢气(H2)作为新兴高效清洁能源在新能源体系中日益凸显重要的作用,其在燃烧过程中放出能量又变回H2O,实现了能源的清洁循环使用,在未来能源的应用中将会扮演重要的角色。随着氢能源汽车的逐步上市,氢气的高效制备和储存成为亟待解决的重大问题。目前最主要的制氢手段依旧是利用化石燃料提取,不可避免的造成环境污染和破坏;因此,发展新型的高效廉价制氢方法是目前研究的重点。电催化水裂解(2H2O→2H2+O2)是一种高效的制氢方法,可以获得高纯度的氢气(H2)和氧气(O2),其中H2可直接用作能源物质,O2是人类生存不可或缺的物质,为呼吸困难的病人提供帮助,也可以成为储能材料;但是,由于缺少廉价高效的催化剂大大限制了电催化水分解的大规模广泛应用。因此,实现高效廉价稳定催化剂的构筑是进一步推动氢能源发展的重要举措。

在众多的纳米催化剂中,过渡金属硫族化合物因其丰富的组成、独特的晶格结构、优异的电子传输能力等特性在电催化水分解中表现出优异的性能。不仅如此,许多研究人员还发现过渡金属硫族化合物具有良好的储钠、储钾性能,同时在金属空气电池和锂离子电池等方面也具有独特的性能。因此,基于过渡金属硫族化合物优良的性能和潜在的应用前景,兰州大学席聘贤教授、唐瑜教授、严纯华院士课题组综述了新型过渡金属硫族化合物催化剂在水分解中的应用。文中对不同过渡金属硫族化合物的合成进行了详细的分类整合;通过形貌、物相、结构等方面对其原子级别优化策略进行了精细分析说明;并对其在未来能源中的潜在应用提出了引人入胜的展望。研究者相信,此项研究工作对于过渡金属硫化物的系统评价仅仅是个开始,为基于其的催化、能源、应用研究指明了方向,并为基于原子调控的过渡金属硫化物构筑提供了新思路。这些为能而生的材料,将为未来能源的发展进步提供新的动力。相关论文在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201903070)。