Small Methods:金属硼化物在能源电催化中的应用进展、挑战及展望

能源枯竭、环境污染和气候变化等问题给现代社会发展带来了巨大的挑战,因此发展清洁、高效、可再生的能源,减少化石燃料的消耗是非常必要的。(可再生)燃料电池、金属空气电池、电解水等器件是重要的电化学能量存储与转换装置,氧还原反应、氧析出反应、氢析出反应等是其核心反应。为了实现高效的能量存储与转换效率,开发高性能的电催化剂来降低电化学反应电位,同时提高反应速率至关重要。过渡金属硼化物具有可调的组分和结构及其独特的成键特征赋予了其优异的物理化学特性(如超导、超硬等),已引起了研究人员的广泛关注。

近日,加拿大国立科学研究院孙书会教授团队和卡尔加里大学陈掌星教授团队合作综述了近年来基于硼化物纳米材料的结构特征、合成策略及其在能源电催化中的研究进展,包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧化还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)、氮还原反应(NRR)、小分子催化反应。最后,对硼化物催化剂的未来发展及面临的挑战进行了讨论。

图1 硼化物的合成、形貌及其能量存储与转换应用

文章从硼化物的结构特征出发,概述了硼化物的典型结构特征如硼化物中包含多样的成键形式,如金属键M-M,离子键M-B和共价键B-B。除此之外,硼能与金属原子形成庞大的硼化物家族,如可形成M3B到MB66的不同化学计量比的硼化物。因此,其庞大的化合物家族及结构特征赋予了硼化物不同的物理化学属性。

紧接着该文章总结了近年来合成硼化物的主要方法(图2),主要包括:硼氢化物还原方法、熔融盐辅助合成方法、固相合成方法、金属热还原法、高温高压合成法、自蔓延高温合成法、高能球磨等,值得注意的是这些方法所制备的硼化物通常可用于电催化研究。同时,文章进一步对这些合成硼化物的方法进行了分析对比(表1),分别指出了他们的优缺点,可为后续可控制备系列硼化物提供借鉴。

图2:硼化物的合成方法总结

表1 部分合成硼化物方法优缺点对比

此外,该文章从HER、OER、ORR、CO2RR、NRR等多个方面系统地总结了硼化物在能源电催化反应中的应用。如对于HER,作者首先系统地梳理了基于目前所报道的用于HER的硼化物,包括M = Mo,W,Fe,Ni,Co,V,Ru,Pd,Os,Re等硼化物。指出Ir,Ag,和Pt等尚未报道的硼化物可能是潜在的高性能析氢催化材料。总结了不同硼化物之间的活性关系。如对于钼、钌基富硼型硼化物的HER活性高于富金属型硼化物的催化活性特点。对于不同相的钼基硼化物,其催化活性关系为α-MoB2≫ β-MoB2> MoB > Mo2B。对于OER,文章系统的梳理了基于Fe、Co、Ni、Ru基硼化物表现出较高的氧析出催化活性,机理研究证明:这些硼化物催化材料在OER过程中,其表面会发生结构重构,在碱性条件下会形成一层羟基氧化物等物质覆盖在硼化物表面作为催化活性相。

最后,文章提出了目前硼化物在能源电催化领域所面临的挑战和机遇,例如,如何规模化制备纯相硼化物需要进一步探索;硼化物在CO2RR及NRR中的催化选择性还有待提高;硼化物在实际器件中的催化活性及稳定性有待深入探究;需结合先进的原位表征技术及理论计算,如X射线吸收谱、STEM及原位Raman等,系统深入研究催化剂的本征催化活性,为高效电催化剂的合理设计提供指导。另外,基于部分硼化物为2D层状材料,文章还展望了2D硼化物在光学、生物学、能源存储与转换等领域的潜在未来发展方向。

论文信息:

Nanostructured Metal Borides for Energy-Related Electrocatalysis: Recent Progress, Challenges, and Perspectives

Zonghua Pu, Tingting Liu, Gaixia Zhang*, Xianhu Liu, Marc. A. Gauthier, Zhangxing Chen*, Shuhui Sun*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100699

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202100699