中国石化石科院林伟&清华刘礼晨团队：在工业相关条件下用于电催化的碳载体材料

中国石化石科院林伟教授和清华大学刘礼晨副教授基于已有的工作，全面细致地论述了碳载体材料在电催化领域的研究进展。特别地，针对未来工业化电催化装置中面临的碳载体材料相关的挑战，该团队尝试从工业开发的角度出发，讨论实验可以直接测量或研究的关键参数，以及如何开发出具有工业应用潜力的碳载体。

碳材料由于其适宜的物理化学特性，例如高比表面积、可调节的孔结构、多变的形态和基于化学修饰的多功能表面特性、低成本和易于从多种前体材料制备，是功能金属组分的理想载体材料。特别是在电化学系统(如质子交换膜燃料电池(PEMFC)和质子交换膜水电解(PEMWE))中，碳材料扮演着至关重要的角色，因为它们可以作为活性金属组分的导电载体（见下图）。但是在迅速增长的电催化领域的文献报道中，大部分研究通常集中在商业碳负载的功能金属或金属氧化物组分上。碳材料负载作用及其对催化性能的影响没有得到足够的关注，值得学术界和工业界投入更多的研究努力。

最近，林伟教授和刘礼晨副教授尝试从工业角度出发，讨论实验可以直接测量或研究的关键参数来揭示合成-结构-性能的关系。文中从电化学导电性、化学组成、工业条件下稳定性、传质、批量化合成、以及深入性认知六个方面系统性介绍和阐释了碳载体材料在工业相关条件下的电化学领域的应用以及存在的挑战和未来突破的方向。最后作者基于他们在工业研发活动中积累的知识和经验，提出实际电催化装置中的碳载体材料需要满足的关键标准：(1) 比表面积 >60 m²/g；(2) 电阻率 <2.5 Ω·m；(3) 初级碳颗粒尺寸 <50 nm；(4) 循环使用能力超过5000次(在1.0-1.5 V下)；(5) 成本低于4000美元/吨。特别地，作者还建议初级碳颗粒尺寸 <50 nm，因为小颗粒可以提高导电性和粘度，增强耐候性，提供更好的加固作用，增加拉伸强度以及磨损抗性。此外，更小的颗粒尺寸与更大的比表面积相关联，有助于密集的铂载荷和构建薄催化剂层。这些关键指标都可以作为开发质子交换膜燃料电池PEMFC和PEMWE装置的先进碳载体的指导参数。

论文第一作者为中国石化石科院杨雪博士，通讯作者为林伟教授和刘礼晨副教授。详见：Yang, X., Gu, X., Song, Y., Hou G., Wang, C., Liu, L., Lin, W. Carbon-based supports for the electrocatalysis under industrially relevant conditions. Sci. China Chem., 2023, https://doi.org/10.1007/s11426-023-1887-7.

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【通讯作者简介】

林伟 中国石化石油化工科学研究院副院长，教授级高级工程师，博士生导师。他的研究兴趣集中氢能及二氧化碳高效转化技术开发，围绕能源相关的催化反应进行，着力于发展光、电、热催化体系及高储氢密度材料，聚焦可再生能源制氢耦合二氧化碳高效转化技术开发和储氢、燃料电池一体化发电系统研发。承担十四五国家重点研发计划、1025关键核心技术攻关项目、中国石化重大科技专项课题多项。主持开发了系列S Zorb脱硫吸附剂和催化裂解催化剂，并成功应用于50余套工业装置。主持开发了中石化首套兆瓦级PEM电解水制氢技术及国内首个分布式甲醇站内制氢系统，全面突破了关键催化材料、组件及系统集成的难题，分别在燕山石化和大连盛港加氢站成功投运，实现了自主技术“绿电”制“绿氢”，有效助力我国氢能产业链发展。先后获得省部级科技进步一等奖6项，中国专利优秀奖1项，发表高水平研究论文近50篇，授权国内外发明专利200余件。2013荣获“第十三届中国青年科技奖”。

刘礼晨 清华大学副教授，博士生导师。2012年本科毕业于南京大学化学化工学院，2018年获得Instituto de Tecnología Química (ITQ), Universitat Politècnica de València可持续化学专业博士学位，导师为Avelino Corma教授。研究对象包括负载型的单原子催化剂，金属团簇以及非贵金属的纳米粒子。2020年入选国家海外高层次人才计划，并于2021年1月加入清华大学化学系任教研序列助理教授（独立PI）。以第一作者/通讯作者在Nature Materials、Nature Catalysis、Nature Protocols、Nature Communications、Angew. Chem.等杂志上发表多篇论文以及申请多项专利，并转让给工业界。受邀在Nature Reviews Materials、Chemical Reviews、Trends in Chemistry等杂志撰写综述论文。曾获得国家留学基金委自费留学奖学金，欧洲化学会颁发的European Young Chemist Award，ACS Catalysis Award for Early Career Researcher，美国材料学会研究生金奖，国际催化学会青年科学奖，IUPAC Zhejiang NHU award in Green Chemistry, 瓦伦西亚地区青年科学家奖等。

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