曹澥宏CRPS：异质结构全解水电催化剂

近日，浙江工业大学曹澥宏教授（点击查看介绍）等人在Cell出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science 上发表了题为“Structural advantages and enhancement strategies of heterostructure water-splitting electrocatalysts”的综述，系统地总结了近年来具有异质结构的全解水电催化材料的典型合成策略及其优势，并对该研究方向的未来发展作了展望。

电化学全解水是一种绿色、环保和高效的制氢方式，涉及析氧（OER）和析氢（HER）两个反应。由于OER和HER的反应动力学缓慢，电化学全解水往往需要比理论值高的电势，这造成大量的能源损失。目前，Pt、IrO2等贵金属材料已被证实是OER和HER的有效电催化剂，但是，贵金属材料的稀缺性和高成本阻碍了它们的大规模应用。

近几年，非贵金属电催化材料引起了广泛关注，鉴于单组分催化剂的表现仍差强人意，结合两种或多种催化材料来构建异质结构成为了一种提高催化剂活性的有效策略。其不仅可通过组合不同的组分，在界面处产生电子再分布、实现协同效应，还能够通过改变该结构的组成和晶相产生新的界面结构，实现高效的全解水催化功能。基于此，浙江工业大学曹澥宏教授课题组总结了近年来应用于电催化全解水领域的异质结构催化剂材料的典型合成策略，并阐述了各种策略的优势所在。

图1. 异质结全解水电催化剂的优势及增效策略

1. 异质结构催化剂的结构优势

异质结构的结构优势体现在如下三个方面：

（1）协同效应：在异质结构中，不同组分界面间的键合作用可提升电子转移速率。通过与不同材料结合，异质结构的导电性、亲水性、化学稳定性以及活性位点密度等均可进行调控。

（2）应变效应：异质结构中不同的化学成分和晶体结构会引起诸如拉伸和压缩的晶格应变，影响位点对中间体的吸附能，提高材料催化活性。

（3）电子相互作用：在异质结构中，不同相的能带排列不同会导致在界面处发生电荷转移，这有利于异质结构的表面电子调制。

2. 异质结构催化剂的优化策略

（1）化学掺杂：在分子水平上改变了电催化剂的组分与结构，提升了电催化反应的热力学和/或动力学。掺杂的元素主要包括贵金属、前过渡金属/非3d过渡金属和非金属。在掺杂的元素中，非3d过渡金属易于优化电催化中间体形成的吉布斯自由能，非金属元素往往具有较高的电负性，影响界面电荷转移，从而促进催化反应。

（2）纳米结构工程：催化剂不同的纳米结构可以改变其电子结构、热性能、机械性能、比表面积等，实现材料催化性能的有效提升。通过构建一维棒状结构，二维纳米片，以及多样化的三维结构，催化剂可以暴露更多的活性位点，实现更快的离子/电子转移速率。

（3）复合材料构筑：通过将具有催化活性的物质与石墨烯、镍泡沫、氮掺杂碳、碳纳米管等其他材料进行复合，获得具有高导电性和离子扩散速率的复合催化材料。

总结和展望：

（1）比表面积和微观结构对材料的催化性能有很大的影响，因此在未来研究中希望设计出兼具高比表面积和界面结构优化的异质结催化剂。

（2）化学掺杂是提升电催化性能的最有效方法之一。合理的掺杂改性前提应选择具有一定催化活性的元素，其次掺杂元素的比例一般不超过总元素量的10%，最后合成方法应该简洁高效，水/溶剂热、模板法、离子交换法都是常用的方法。

（3）在进行结构设计前，理论计算可以更有效地指导催化剂的结构设计，但缩小理论模型与实际结构之间的差距是至关重要的，这可以帮助我们更准确、更深入地理解电催化性能的提升机制。此外，原位观察技术也有助于了解催化剂的活性位点和界面演变过程，理解工作机理，进一步设计改性方案。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Structural advantages and enhancement strategies of heterostructure water-splitting electrocatalysts

Dong Zheng, Linhai Yu, Wenxian Liu, Xiaojing Dai, Xinxin Niu, Wangqin Fu, Wenhui Shi, Fangfang Wu, Xiehong Cao

Cell Rep. Phys. Sci., 2021, 2, 100443, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100443

曹澥宏教授简介

曹澥宏，浙江工业大学教授，博导。主要研究新型二维材料及能源与水处理应用，相关成果在Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev. Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊发表学术论文80余篇，被他引12000余次。目前主持国家基金，浙江省杰青项目等项目。担任高等学校化学研究客座编辑、Chinese Chemical Letters、SmartMat和Rare Metals等期刊的青年编委、欧洲科学基金会评审专家。获国家优秀留学生奖学金，先后入选浙江省海外高层次引才计划、“钱江学者”省特聘教授、“全球高被引学者”（2018-2020年）等。

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第一作者郑冬简介

郑冬，浙江工业大学化学工程技术专业，2021级博士研究生。主要研究过渡金属基材料在可充电锌空气电池的应用及其界面协同机制研究。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Nanoscale、Cell Rep. Phys. Sci.等国际期刊，授权1项国家发明专利。

（本稿件来自Cell Press）

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