刘碧录团队AFM综述：高电流酸性析氧电催化剂的研究进展与机遇
刘碧录团队AFM综述：高电流酸性析氧电催化剂的研究进展与机遇
icat2019
我为催化狂！
电催化学术QQ群：1025856252
近期， 清华大学深圳国际研究生院刘碧录团队 发表综述，讨论了酸性析氧催化剂的最新进展，包括本征活性、大电流密度反应和长期稳定性，并提出了设计高性能催化剂的策略，探讨了其在质子交换膜电解水器件中的实用前景。该综述以《低维酸性析氧电催化剂的研究进展：高本征活性、大电流密度和优异稳定性》（ Low-Dimensional Electrocatalysts for Acidic Oxygen Evolution: Intrinsic Activity, High Current Density Operation, and Long-Term Stability ）为题发表在《先进功能材料》（ Advanced Functional Materials ）杂志上。
氢是一种能量密度高、零碳排放的绿色可持续能量载体，是未来可持续清洁能源体系中不可或缺的一部分。当前，氢气制备方法主要包括化石燃料的高温裂解（灰氢制备）和天然气重整（蓝氢制备）。虽然氢气本身是清洁的，但以上方法在制氢过程中会产生大量的碳排放，不利于可持续发展。与之相反，利用可再生能源与电解水制氢技术相整合生产 “ 绿氢 ” 可实现零碳排放，对于碳中和战略至关重要。电解水制氢技术中，具有较高电流密度和能量转换效率的酸性电解水技术倍受青睐，但其发展受到析氧电极活性差、稳定性弱的制约。与两电子析氢反应相比，四电子析氧反应的动力学缓慢，对析氧催化剂的本征活性提出了更高要求。大多数报道的催化剂仅在低电流密度（ < 200 mA cm -2 ）下性能优异，难以达到高电流密度（ > 200 mA cm -2 ）的工业使用需求。此外，在强氧化电位和酸性腐蚀性环境中，催化剂易从电极上溶解和脱落，导致其活性和稳定性显著降低，限制了其长期使用。因此，设计和开发可实现大电流密度以及长期稳定性的优异催化剂对电解水制氢技术的大规模推广至关重要。
首先，催化剂的本征活性是决定电极性能的重要因素，本综述强调了通过表面化学调控（包括杂原子掺杂、空位调控、合金化、核壳结构和应力调控）、非晶态调控和协同工程等策略改变催化剂的电子结构、优化中间体的结合能，进而提升其本征活性。其次，大电流密度电解水反应对活性中心的暴露、传质、电子转移和电极的稳定性等提出了更高的要求。本综述提出通过构建多孔结构和引入催化剂载体来实现大电流密度制氢。此外，综述强调了通过保护活性中心和加强催化剂与载体的相互作用来提高催化剂的化学稳定性和机械稳定性。
图 1. 影响酸性析氧催化剂性能的三个重要方面：本征活性、大电流密度、长期稳定性
图 2. 酸性析氧催化剂的本征活性调控策略：表面化学调控
总结与展望：
最后，文章对领域的未来发展重点方向进行了展望，主要包括借助理论计算和机器学习进行电催化剂的设计和合成，通过可视化的原位成像和光谱表征厘清工作状态下催化剂的活性中心，通过多方面策略制备可实现大电流密度反应且长时间稳定运行的优异催化剂，以及质子交换膜电解水器件的工业应用等。
图 3. 酸性析氧催化剂的发展前景
作者介绍：
刘碧录，清华大学深圳国际研究生院材料研究院副院长、长聘副教授、博士生导师，深圳盖姆石墨烯中心副主任。 2006 年本科毕业于中国科学技术大学， 2012 年博士毕业于中国科学院金属研究所。 2012 至 2016 年在美国南加州大学先后担任博士后和研究助理教授， 2016 年 6 月回国工作。主要研究方向是二维材料的可控制备及其在电子、光电和电催化领域的功能性应用。在 National Science Review, Materials Today, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nature Communications, Science China Materials 等期刊上发表高质量论文 100 余篇，获授权中国发明专利 10 余项，在国内外学术会议上作邀请报告 30 余次。获 2016 年国家重点人才计划、 2017 年国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和 2021 年国家自然科学基金杰出青年科学基金项目资助，目前承担国家自然科学基金委重点国际合作项目、重大项目（课题负责）。自 2017 年起担任材料学领域综合性国际期刊 Science and Technology of Advanced Materials 的 Associate Editor ，自 2020 年起担任 Wiley 出版社 Nano Select 期刊的 Associate Editor 。曾获 2012 年中国科学院院长特别奖、 2018 年清华大学学术新人奖、 2021 年纳米研究青年科学家奖（ Nano Research Young Innovator Award ）等。
招聘电催化方向博士后 1-2 名 ：目前，刘碧录团队在电催化领域已取得诸多优异的研究成果，论文相继发表在 Nature Communications (3 篇 ) 、 Advanced Materials 、 Materials Today 、 Energy Environmental Science 、 Advanced Functional Materials 、 ACS Nano 等高水平期刊上。团队当前以电解水器件研发和二氧化碳还原研究为主，欢迎相关领域的博士加入团队，携手共创更多研究成果。应聘资料包括个人简历、已发表论文清单、未来的研究计划等，联系人：余博士，邮箱： yu.qiangmin@sz.tsinghua.edu.cn
课题组网站：
https://www.tbsi.edu.cn/biluliuGroup/home.html
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202201726
催化技术交流微信群
加微信群方式： 添加编辑微信 18065920782 ，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。
热催化学术QQ群：741409795
光催化学术QQ群：582590624
电催化学术QQ群：1025856252
均相催化与酶催化QQ群：871976131
多孔材料学术QQ群：813094255
同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM
原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR
加急测试
李老师
学研汇技术经理
158 2732 3927
官方网站：www.xueyanhui.com