Small Methods:另辟蹊径——基于外场(电场、磁场、应力、光)促进电催化析氢反应与析氧反应

可持续发展是人类面临的关键挑战之一。然而,化石燃料的大量使用导致了严重的环境问题。氢作为最清洁的可再生能源之一,是化石燃料的重要替代品。电催化水解是生产氢气的环保技术。然而,其动力学缓慢的半反应,析氢反应(HER)和析氧反应(OER),严重地制约了其实际应用。外场辅助的电催化反应是指在电催化反应进行的过程中施加外场。它为电解水提供了额外的调控自由度。近年,研究人员已经发展了一系列外场辅助的HER和OER反应。

近日,针对该领域取得的进展以及面临的问题与挑战,新加坡南洋理工大学颜清宇教授团队在Small Methods上在线发表了题为“Promoting Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction and Oxygen Evolution Reaction by Fields: Effects of Electric Field, Magnetic Field, Strain, and Light” 的综述论文。

文章主要从电场、磁场、应力与光四个维度作了详细的总结:

1. 栅极电场能够通过静电耦合作用调控电催化剂的电导率、反应中间体在活性位点的吸附强度(表面吉布斯自由能)以及催化剂/电解液异相界面的离子分布。

2. 磁场可通过洛伦兹力加速电解液中的物质传输,通过磁致热效应提升电催化剂的局域温度,并通过自旋排列调控电催化作用的反应路径。

3. 应力能够调节活性位点的d带,包括其能级与态密度,从而调控其固有活性。

4. 光能够通过表面等离激元共振效应来提升载流子的能态,通过光热效应来提升电催化剂的局域温度以及通过光诱导半导体/绝缘体–金属相变以增加电催化剂的导电性。

最后,文章对外场辅助的电催化研究进行了展望,主要分为三个方面:

1. 外场辅助的电催化系统的结构优化。例如,使用高介电常数的介电层可提高栅极电压感应的载流子浓度,有利于促进电场辅助的电催化反应。此外,将聚光装置集成于电催化系统以将入射光聚焦于电催化剂有助于提升入射光的利用效率。

2. 多场协同。理论上,外场的多样性及其相互兼容性为多场辅助的电催化反应提供了丰富的潜在方案。例如,垂直磁场引起的对流可加速电解液的物质传输,而应力可调节电催化剂的固有活性。因此,可通过磁场与应力的协同作用以提高电催化速率。

3. 外场辅助电催化反应的拓展(如二氧化碳还原、氮还原、氧还原)。例如,铜纳米结构是典型的二氧化碳还原催化剂。同时,Cu是一种高效的光热转换材料。因此,基于Cu基催化剂的光热效应辅助的二氧化碳还原反应是极具前景的研究课题。

总之,外场作为一种辅助技术能够显着地改善电催化性能,同时其与传统的纳米工程高度兼容,对未来高性能电催化系统的设计与实现具有重要意义。

【课题组介绍】

颜清宇教授(通讯作者)课题组简介:南洋理工大学材料科学与工程学院教授,新加坡电化学学会的主席,英国皇家化学学会会士 (FRSC)。课题组的研究领域主要为热电材料和电化学储能材料。目前已在Nature Machine Intelligence,Nature Communications,Science Advances,JACS, Angewandte Chemie,Advanced Materials,Energy & Environmental Science,Chem,Joule,Nano Letters,ACS Nano等国际著名刊物上发表论文300余篇,总引用>25000,h-index为83,2018和2019年汤森路透材料领域高被引学者。

课题组主页链接:https//www.ntu.edu.sg/home/alexyan