吉林大学卢晓峰|催化剂电子调控和界面设计在分解水中的应用

【研究背景】

当前，化石燃料的枯竭以及随之相关的环境污染已成为人类社会所面临的严重问题。因此，发展清洁、可持续的可替代能源设备正越来越受到广泛关注。其中，水分解电解槽是最有效的能源转换系统之一，其能将电能转化为清洁的氢能源。通常，典型的水分解电解槽由两个电极组成，其中阴极发生氢气析出反应（HER），而阳极发生氧气析出反应（OER）。关于这方面，可以从阴极不断产生具有高转化效率的氢气（基于热力学）。然而，由于涉及两个和四个电子转移的动力学较为缓慢，因此在实际应用中，电催化分解水的过程通常需要较大的超电势。超电势是电极电位与原始平衡电极电位之间的偏差值。为了降低HER和OER过程中的超电势，总是需要有效的电催化剂。

在过去的几年中，已经探索了多种用于HER和OER过程的电催化剂。例如，目前用于HER的最先进电催化剂是Pt-基纳米材料，而RuO2和IrO2是OER中最受欢迎的催化剂。但是，这些电催化剂以其稀缺性和高成本而阻碍了它们的广泛应用。此外， Pt-基催化剂在长时间运行后很容易溶解在电解质中，而RuO2或IrO2在高电压下也会被氧化，从而使其稳定性较差。最近，人们投入了巨大精力来研究高效、资源丰富的电催化剂，并使其对于HER和OER以及全解水反应都具有出色的长期稳定性和低成本。例如，已经开发出许多纳米材料作为HER的高效电催化剂，包括过渡金属及其合金、金属氧化物、金属硫属元素化物、金属磷化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物和其他金属化合物。另一方面，金属含氧水合物、钙钛矿以及一些HER催化剂（如金属氧化物、金属磷化物、金属硫化物和金属氮化物）已被开发用于OER。并且，这些电催化剂均明显降低了HER、OER和全解水过程中的超电势。

【成果简介】

在这篇综述中，吉林大学卢晓峰课题组聚焦于静电纺丝材料的电子调制和界面设计在分解水中的应用（图1）。首先，简要介绍了用于水分解反应的电催化剂设计。然后，讨论了用于调节HER、OER和全解水性能的两种策略，即电子调制和界面设计。接着，重点介绍了静电纺丝纳米材料-基HER、OER和全解水电催化剂在电子和界面作用方面的最新进展。最后，提出了该发展领域中存在的挑战和未来的发展方向，为静电纺丝纳米材料-基电催化剂的实际应用带来了光明前景。

相关研究以题为“Electronic modulation and interface engineering of electrospun nanomaterials‐based electrocatalysts toward water splitting”发表在《Carbon Energy》（DOI: 10.1002/cey2.85）期刊上。

【主要内容】

用于分解水的催化剂的电催化性能在很大程度上取决于催化活性和活性位点的数量，而这与催化剂的形貌、尺寸和结构相关。尤其是电催化剂的结构对HER、OER和全解水性能的影响很大。一些作为分解水的电催化剂的典型结构（包括量子点、纳米纤维、纳米片和三维（3D）微结构）已得到了广泛研究。其中，一维（1D）纳米材料具有显着的结构优势，可实现出色的电子和质量传输，并具有柔性的特征。因此，1D纳米材料在电催化水分解中具有广泛的应用。

迄今为止，已开发出大量的方法来制造1D纳米材料，如模板法、化学气相沉积、电弧放电法、水热反应、溶剂热反应、自组装、吹塑纺丝、静电纺丝技术。其中，静电纺丝技术被认为是合成具有纳米纤维状或纳米管状形貌的1D纳米材料的最简单、最通用方法之一。通常，静电纺丝设备由高压设备、纺丝喷嘴和收集器所组成。在纺丝过程中，当静电力超过表面张力时，带电喷头会以一定粘度从溶液液滴中喷出。在溶剂蒸发或熔融固化之后，将产生固体纳米纤维。通过调制喷丝板，可以很好地控制静电纺丝纳米材料的结构。因此，通过相应的同轴、并排和多流体复合射流静电纺丝技术即可制备出核-壳、Janus和多通道结构。由于独特的1D纳米结构、大的比表面积和柔性的特点，静电纺纳米材料在过滤、催化、光电器件、能源存储和转换、环境管理、生物医学技术和食品工程等领域具有广阔的应用前景。

与其他通过电化学腐蚀和水热法合成的催化材料相比，静电纺丝纳米材料具有独特的优势，因此近年来已广泛用于分解水的应用当中。首先，静电纺丝技术提供了一种简便且可规模化的方法来制备具有可调组成的1D纳米纤维材料。通过静电纺丝和后处理，已制造出了大量的碳、陶瓷、杂化纤维纳米材料作为HER、OER和全解水的电催化剂。其次，静电纺丝纳米材料可以用作具有可控多孔结构的自支撑膜。通过调节纤维直径和膜密度就可用来定制多孔结构。此外，静电纺丝纳米纤维可以组装成多孔的气凝胶，以展现出多级多孔结构，有利于电催化过程中的传质。第三，静电纺丝具有将高效催化剂封装到高导电性碳材料中的独特优势。因此，可以通过一种简单的策略在一个体系中实现理想的电催化活性和出色的电子转移能力，从而有助于增强HER、OER和全解水的性能。

对于开发高性能的水分解电催化剂而言，调节催化剂的电子结构和构建异质结构也非常重要。通过引入杂原子或空位，电子将在不同原子或空位基团之间发生转移，从而调制电子结构。此外，构建具有界面效应的异质结构会导致两个不同相发生接触，从而构成更多的活性中心并可能调节其电子相互作用。因此，调节后的电子结构改善了水的解离吸附或反应中间体的解吸，从而加快水分解的电催化性能。

相关论文信息

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论文标题：

Electronic modulation and interface engineering of electrospun nanomaterials‐based electrocatalysts toward water splitting

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.85

DOI:10.1002/cey2.85

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