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清华王训Chem综述: 金属相过渡金属硫族纳米催化剂在能源转化中的应用

电催化或光驱动水裂解制备氢气技术因其工艺简单、环境友好、产品纯度高和原料来源经济等特点一直广受研究者的青睐,有望实现电能或光伏能向化学能的高效转化和存储,成为降低社会对化石燃料依赖的有效途径。然而,目前这种技术中所用到的贵金属催化剂昂贵的价格和较低的自然丰度限制了其大规模工业化应用,同时其较高的过电势以及不良的循环稳定性严重降低了能源转换效率。因此,开发制备新型高性能、廉价的水裂解催化剂迫在眉睫。金属相过渡金属硫族化合物是一类新兴的水裂解催化剂,其本征催化活性高、活性位点数量多、导电性好、廉价易制备,有希望代替铂基贵金属催化剂应用在实际电解水体系中。

清华大学有机光电与分子工程重点实验室王训教授课题组,近日应邀在Chem上发表题为“Metallic Transition-Metal Dichalcogenide Nanocatalysts for Energy Conversion” 的Review文章(Chem, 2018, 4, 1510)。本文深入介绍了金属相过渡金属硫族纳米催化剂的合成策略、结构特点、特殊性质以及能源转化应用。特别地,作者在文中强调了此类催化剂本征活性高的内在原因,重点介绍了电催化剂、光催化剂以及光电催化剂的创新设计及应用。最后,作者展望了该领域未来的机遇与挑战。

清华王训Chem综述: 金属相过渡金属硫族纳米催化剂在能源转化中的应用

文章首先指出设计并制备高性能、廉价易得的水裂解催化剂是目前新能源转化与储存领域,尤其是电催化和光催化领域的热点及难点问题。作者从金属相过渡金属硫族化合物的基本结构和特殊物理、化学及电学等性质出发,从催化位点的本征活性、活性位点数量和导电性三个影响催化性能的方面分析了此类催化剂的优势。通过对催化剂结构、形貌、组分的设计,来调控催化位点的本征活性、活性位点数量、导电性以及催化传质,从而实现催化性能的提升。

近年来,随着以石墨烯为代表的二维材料的蓬勃发展,研究者对于二维材料的研究展现出了浓厚的兴趣。其中,类石墨烯的过渡金属硫族化合物因其独特的物理、化学、电学性质在电催化和光催化领域有广泛的应用。通过对其电子结构的调控,能够实现过渡金属硫族化合物的相控制合成,这对催化性能的提升具有重要意义。

过渡金属硫族化合物可分为半导体相和金属相,相比于半导体相,金属相过渡金属硫族化合物导电性有显著提升,能够加快催化反应动力学并且降低电子传输损失。同时,其较大的活性位点数量和较高的本征催化活性使得发展制备高效水裂解催化剂应用在实际工业生产中成为可能。虽然该领域在发展过程中还存在很多亟待解决的问题,但是其发展空间较大,值得继续深入探索。
由于金属相过渡金属硫族纳米催化剂在能源转换领域的巨大优势,本文重点综述了此类催化剂的结构、形貌及组分的设计合成及其能源转化催化应用,揭示了其本征活性高的内在机理和影响催化活性的因素,进而展望了该领域的未来发展方向。
从基础研究和实际应用的角度出发,作者也着重指出,大多数金属相过渡金属硫族化合物属于亚稳态,在一定条件下这种材料容易转变回其相对稳定的半导体相。因此,在催化过程中,研究者需要注意金属相过渡金属硫族纳米催化剂的稳定性,是否能够持续提供高催化活性也是限制此类催化剂发展的重要因素。目前,已有一些稳定策略相继被报道出来,相信未来在实际催化过程中困扰研究者的稳定性问题终将解决。
最后作者提到,目前关于金属相过渡金属硫族纳米催化剂在能源转化领域的应用工作被大量报道,其电催化和光催化制备氢气的效率在不断提升,这也标志着该领域有巨大的发展前景。但是,对于未来的实际工业化应用来说,此类催化剂的大规模制备以及实际应用的可行性仍旧是该领域的关键挑战之一。对于基础研究来说,此类催化剂的催化机理研究还远远不够,从原子、分子层面深入揭示其催化行为也同样是该领域未来的发展方向。当然,也有理由相信,在未来对于金属相过渡金属硫族纳米催化剂将会有更为全面而深刻的认识。

原文链接:https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30125-6
免费下载链接:https://authors.elsevier.com/a/1XNev8jWHD-Vz8

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