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近日,清华-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室刘碧录、成会明团队在Electrochemical Energy Reviews上发表综述文章“Engineering Two-Dimensional Materials and Their Heterostructures as High-Performance Electrocatalysts”,该论文系统探讨了二维材料及其异质结构在电催化领域的研究进展。论文首先介绍了电催化领域的研究现状和关键的三个电催化反应;然后以高性能电催化剂的设计为出发点,系统地阐述了电催化剂的核心问题并提出了相应的解决方案。包括催化活性、电荷传输、界面效应等。其次重点阐述了二维材料在电催化中的优势,并对现阶段二维材料电催化剂研究进展进行了概括和评述。论文最后指出了该领域目前面临的主要挑战,并对未来重点研究方向做了总结和展望。
文章将发表于Electrochemical Energy Reviews期刊2019年第2卷第3期,为该期封面论文。详情请阅读全文,可免费获取。本文也在微信(ElectrochemicalEnergyReviews)、微博(ElectrochemicalEnergyReviews)、科学网博客(EEReditor)、Facebook等新媒体平台推出,请大家多关注和阅读。更可以关注EER Springer主页(https://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/journal/41918)和上海大学期刊社网站EER主页(http://www.eer.shu.edu.cn)获取第一手的电化学评论资讯。
文章题目:Engineering Two-Dimensional Materials and Their Heterostructures as High-Performance E,lectrocatalysts
作者:Qiangmin Yu, Yuting Luo,Azhar Mahmood,Bilu Liu*,Hui-Ming Cheng*
关键词:2D materials, Electrocatalysts, Heterostructures, Hydrogen evolution reaction, Oxygen reduction reaction, Oxygen evolution reaction
引用信息: Yu, Q., Luo, Y., Mahmood, A., Liu, B., Cheng, H.-M. Electrochem. Energ. Rev. (2019) 2: 373. https://doi.org/10.1007/s41918-019-00045-3
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综述背景:
随着社会发展对能源需求的日益增加,传统的化石能源不但难以满足长远发展需求,同时还会造成环境污染,严重影响人类的生命和健康。开发下一代可再生清洁能源取代传统的化石燃料是社会可持续发展的重要途径。作为高效清洁能源转换装置,电化学能源转换器件(电解水制氢,燃料电池和金属-空气电池等)扮演着举足轻重的角色。电化学能源转换器件的核心是高性能的电催化剂,目前常用的电催化剂主要是贵金属及其合金,譬如Pt,Ir等。然而,贵金属价格昂贵,储量稀少等问题一直制约其大规模工业应用。近十几年来,科学家们逐渐开发出多种新型的非贵金属催化材料,并证明具有与贵金属相当的催化性能。在众多的非贵金属材料中,二维材料展现出独特的优势并在电催化领域被广泛研究。 目前,二维材料电催化剂的研究已取得众多进展,然而,要实现在工业上的广泛应用还面临巨大挑战。
综述亮点:
1. 以电催化能源转换系统出发,系统总结了三种电催化反应的机理和催化剂的设计,评述了目前该领域的进展和存在的问题,并提出了未来发展的方向;
2. 详细阐述了二维材料在电催化反应中的优势以及进一步改善其催化活性的策略;
3. 归纳了现阶段二维材料的研究进展,并对各种调控二维材料催化活性的方法进行了评述。
论文简章:
Abstract
1. Introduction
2. Key electrocatalysis processes and the potential of 2D materials
3. Rational design of 2D materials-based high-performance electrocatalysts.
3.1 Individual 2D materials for electrocatalysis
3.1.1 Graphene and their derivates
3.1.2 Transition metal dichalcogenides (TMDCs)
3.1.3 Other 2D materials
3.2 2D materials-based heterostructures for electrocatalysis
3.2.1 0D/2D heterostructures
3.2.2 1D/2D heterostructures
3.2.3 2D/2D heterostructures
4. Conclusions and outlook
论文摘图:
图1. 几种电催化反应及相应的反应过程和机理。在论文中,作者系统阐述了HER、OER和ORR三种反应在不同介质中的反应机理以及影响反应速率的因素。此外,论文概括了关于不同反应体系的性能评价标准,具体包括电化学活性面积、过电位、塔菲尔斜率、交换电流密度和法拉第效率等。
图2.调节二维材料性质和催化活性的方法,包括异原子掺杂,缺陷工程,应力工程,离子插层及异质结构的构建。首先,论文详细介绍了单一二维材料的结构调控和性能的关系,分别以Graphene、TMDCs、LDHs以及其他二维材料为例,系统描述了不同调控工程对电催化性能的影响,并对各调控方法加以概述和评价。然后,论文以构建异质结构为基础,以二维材料为框架,搭载零维、一维和二维材料构建高性能异质结构催化剂并讨论了不同维度材料的功能和异质结构的协同增强效应。
该综述论文第一作者是清华-伯克利深圳学院博士后余强敏,论文通讯作者为刘碧录研究员和成会明院士。论文作者还包括清华-伯克利深圳学院博士生罗雨婷和博士后Azhar Mahmood。
相关工作得到了国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会、深圳市科创委、发改委和经信委等部门的支持。
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