Small Structures:缺陷基金属化合物电催化剂的研究进展

日益增加的能源需求以及使用化石燃料所造成的环境污染问题促使我们开发可持续的清洁再生能源。催化剂在各种能源相关的电催化反应中起着至关重要的作用,例如质子交换膜燃料电池、全水分解、氮气和二氧化碳的电化学还原等。因此开发高效、廉价的电催化剂以促进这些清洁能源技术的大规模商业化应用显得尤为重要。研究表明缺陷工程在原子级别调节电催化剂的电子结构和表面性质以提高其内在的催化活性方面是一种非常具有前景的策略。过渡金属如Fe、Co、Ni、Mn和Mo等的氧化物/氢氧化物在不同电催化反应中都是非常高效的催化剂,而各种缺陷如阴离子缺陷(O、S和P空位)以及阳离子缺陷(如Fe、Co和Ni空位)可以作为反应的活性位点来促进不同的电催化反应。鉴于缺陷基金属化合物电催化剂的发展非常迅速,因此相当有必要总结这个研究领域的一些重要工作并且展望其未来的发展方向。

最近,澳大利亚格里菲斯大学的姚向东课题组系统总结了金属化合物中各种缺陷对其电催化性能的影响。如图所示,文中系统总结了单一类型的阴离子和阳离子空位以及多种类型的缺陷对金属化合物电催化剂性能的影响,重点强调了可控合成、缺陷的深入表征、催化剂的构性关系以及它们在能源催化领域的应用。具体来说,文中详细介绍了在金属化合物电催化剂中制造各种阴离子和阳离子缺陷的常用方法,如硼氢化钠和氢气还原、等离子轰击、热处理以及化学刻蚀法等。他们同时总结了最近一些关于控制金属化合物中缺陷密度的工作。由于阴离子缺陷在强氧化环境中不稳定,相关提高金属化合物中阴离子缺陷稳定性的策略如通过回填杂原子和金属原子的工作也进行了总结。此外,文中还讨论了阴离子和阳离子空位以及多种类型阳离子空位共同对电催化剂催化性能的影响。各种表征金属化合物中缺陷的先进技术在文中也进行了总结。最后,作者对缺陷基金属化合物电催化剂的未来发展进行了展望,如通过简单和廉价的方法在金属化合物中制造更多类型的缺陷、精确控制缺陷的密度和分布、通过先进的原位表征和机器学习来揭示其反应机理以及缺陷基电催化剂的宏量制备。

该综述论文有助于读者系统了解金属化合物电催化剂中各种阴离子和阳离子缺陷对其电催化性能的影响,同时可以为设计高效的缺陷基电催化剂提供借鉴。相关论文“Defective Structures in Metal Compounds for Energy-Related Electrocatalysis”发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000067) 上。