Small Structures:纳米孔道相关的电催化析氢反应

为解决能源危机和环境污染等问题,开发可再生、清洁的能源转换技术已迫在眉睫。氢气由于其高质量能量密度(142 MJ/kg)和环境友好性,被认为是理想的绿色能源之一。然而,工业制氢方法大多以化石燃料为基础,这与现代社会的可持续发展相冲突因此,电催化全解水具有生态友好、高效等优点,近年来得到了广泛的研究析氢反应(HER)作为电催化水分解的半反应之一,对最终产氢有显著影响。鉴于其瓶颈问题迟缓动力学,开发具有足够催化活性的HER电催化剂具有重要意义。

近年来,无论是哪种电催化材料,多孔结构都被报道具有促进电催化剂/电极HER性能的作用。活性电极的关键在于具有良好的电子和物质输运性质,适当的氢吸附/脱附能力,大的活性位点的数量和高的本征活性。具有孔道的多孔结构比无孔道材料具有更大的比表面积,可以大大增加活性位点的数量。此外,由于可利用通道的存在,大量通道的存在将大大增强HER过程中的质量输运。此外,电解质和氢气气泡的物质传输与电极的动态特性密切相关。因此,通道的存在也有助于改善电极的动态特性。不仅如此,采用导电基体材料可提高电子转移性能。除此之外,电催化剂与主体材料之间的协同作用将提高活性位点的固有活性,优化氢的吸附/解吸能力。因此,多孔结构内的通道对电极的HER性能有很大的影响。

中国地质大学(武汉)夏帆课题组系统综述了现有的孔道结构HER电催化剂/电极。首先介绍了多孔HER电催化剂/电极的最新进展和面临的挑战。然后根据孔道维度的不同,分别讨论了限域在非活性孔道框架中的电催化剂、电催化剂直接作为孔道框架、限域在活性孔道框架中的电催化剂的不同催化剂的研究进展。最后,对多孔电催化剂/电极的应用前景进行了展望。

图1. 不同维度孔道材料示意图。

根据不同的维度,多孔材料中的孔道可以分为一维孔道、二维孔道和三维孔道。值得注意的是,并不是所有的孔道都是规律有序的。从广义的角度来看,材料中的所有孔洞、空腔和空隙都可以视为孔道。例如,似乎与传统的通道材料相反的纳米结构阵列,这些纳米结构之间的不规则空间使它们也成为一种孔道材料。纳米管和二维层状材料分别是应用最为广泛的一维和二维孔道材料。而三维孔道包括封装材料的空腔、支撑材料的孔隙以及一维和二维孔道的组合。无论是一维、二维还是三维孔道材料,通畅的通道和较大的比表面积可显著提高电催化反应过程中的物质输运性能和电催化活性位点的数量。对于一维孔道材料,可以将电催化剂封装在孔道的限域空间中,从而优化氢气的吸附/脱附性能。对于二维孔道材料,HER性能与层间间距有关。较高的二维孔道和较大的层间距离更有利于电催化反应过程中的物质输运,但也会给一些二维电催化剂带来电子输运方面的问题。三维孔道可以是不同尺寸孔道或不同维度孔道的组装。规则的孔道结构和不同尺寸孔道结构的结合更有利于氢气气泡从电极中逃逸,从而获得更好的HER性能和电极的动态特性。

论文信息:

Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction Related to Nanochannel Materials

Jing Pan,1 Shanwu Yu,1 Zhangwei Jing, Qitao Zhou, Yifan Dong, Xiaoding Lou, Fan Xia*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100076

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100076