催化学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (9): 1476-1493.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60911-1

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电催化剂设计中表面和界面工程的最新进展

王成名, 柏嵩, 熊宇杰   

  1. 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室, 能源材料化学协同创新中心, 化学与材料科学学院, 安徽合肥230026
  • 收稿日期:2015-03-29 修回日期:2015-05-28 出版日期:2015-08-28 发布日期:2015-09-26
  • 通讯作者: 王成名, 电话: (0551)63606447; 传真: (0551)63606657; 电子信箱: chmwang@ustc.edu.cn; 熊宇杰, 电话/传真: (0551)63606657; 电子信箱: yjxiong@ustc.edu.cn
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(21101145, 21471141); 国家"青年千人计划"; 中国科学院"百人计划"; 安徽省自然科学基金(1508085MB24); 中央高校基本科研业务费专项资金(WK2060190025, WK2310000035).

Recent advances in surface and interface engineering for electrocatalysis

Chengming Wang, Song Bai, Yujie Xiong   

  1. Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, iChEM (Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials), and School of Chemistry and Materials Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China
  • Received:2015-03-29 Revised:2015-05-28 Online:2015-08-28 Published:2015-09-26
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21101145, 21471141), the Recruitment Program of Global Experts, the CAS Hundred Talent Program, the Anhui Provincial Natural Science Foundation (1508085MB24), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (WK2060190025, WK2310000035).

摘要:

电催化已发展为一种涉及电化学、表面科学、材料科学和催化科学等众多科学分支的交叉学科和综合技术, 在工农业生产、经济和国防建设、能源开发和环境保护等方面发挥了不可或缺的作用. 金属纳米催化剂的可控合成和创新构建, 极大地推动了电催化的广泛应用和巨大进展. 过渡金属尤其是贵金属Pt、Pd等电催化剂, 在电催化中表现出良好的选择性、活性和稳定性, 很难完全被其他材料所取代. 制约电催化可持续发展的瓶颈问题是, 如何设计、合成和构建高性能低成本的金属纳米催化剂. 为实现这一目标, 人们付出了大量的努力并取得了一些可喜的进展. 电催化是发生在电解质与电极材料表面和界面的异相催化反应, 金属纳米电催化剂的性能与其形貌、结构、尺寸和组成相关. 本文着力总结和探讨如何从表面工程和界面工程角度设计、合成和构筑金属纳米结构及其复合结构, 以实现金属电催化剂性能和成本的双优化.
本文提出了在金属纳米结构及其复合结构的设计、合成和构筑过程中需要考虑的几个重要的表面和界面因素, 即表面面积、表面晶面、活性位点和界面结构等. 首先, 有效表面面积越大, 越有利于电催化反应. 我们总结了增大催化剂有效活性面积的四种有效方法, 包括减小颗粒尺寸、制成薄层二维纳米结构、增大粗糙度、形成中空、多孔或介孔及框架结构等. 其次, 表面晶面也可决定电催化的性能. 我们简单总结了低指数晶面和高指数晶面在表面能、晶面形成和催化活性上的"挑战与机遇"矛盾关系, 并简要阐述了晶面选择性即晶面效应以及晶面与尺寸的依赖关系. 再次, 活性位点一般指的是低配位表面原子位点, 是电催化反应的决定因素之一. 我们描述了活性位点与表面和界面结构特征、纳米晶表面晶面、表面缺陷和空穴、表面面积和粒子尺寸等的依赖关系. 最后, 界面结构工程是调控电催化性能的最丰稔因素. 我们简述了界面结构的形成、分类及其对优化界面活性位点的成分和几何结构、表面悬键和原子配位数、电子结构与电子传递、质子传输和物种交换等方面调控作用, 并在界面工程的基础上推介了贵金属基复合结构的合成、组装的几种典型方式.
本文以具体示例的形式, 分别从表面工程和界面工程的角度, 扼要介绍了本课题组最近在甲酸氧化、氧还原、析氢等电催化反应体系中贵金属基纳米结构及其复合纳米结构电催化剂的设计、合成与构筑的具体做法. 我们分别介绍了低指数晶面和高指数晶面的表面设计对于提高催化剂性能的关键作用. 对于低指数晶面, 我们重点介绍了如何获得相似尺寸的不同表面晶面以研究其晶面效应, 如何维持相同晶面调节尺寸以研究其尺寸效应, 如何建造与电极有良好电学接触的低指数晶面纳米结构, 以利于提升其电催化性能. 对于高指数晶面, 介绍了几种形成高指数晶面的途径, 并阐明了其晶面对电催化性能的影响. 另一方面, 我们从金属纳米结构及其复合结构的成分和结构调控策略介绍了界面构建对于提升电催化性能的奇妙作用, 包括建造多金属纳米结构、与二维材料负载组装和利用界面极化.
由此, 本文总结了表面和界面工程对于电催化剂设计、合成和构筑目前面临的三个关键挑战.

关键词: 合成, 表面工程, 界面工程, 电催化, 复合结构

Abstract:

Electrocatalysis has attracted extensive attention for its promise in converting chemical energy of fuels and oxidants into electrical energy. In this review, we use our recent progress in electrocatalysis as examples to demonstrate how to rationally design and fabricate noble metal-based nanostructures. This information will enable the optimization of nanocatalysts, in terms of both cost and performance, from the viewpoint of surface and interface engineering. We first outline the key features related to surface and interface that may significantly impact on electrocatalytic performance. We then summarize various approaches to surface and interface modulations by highlighting materials synthesis, design and electrocatalytic performance for specific cases. Finally, we propose the challenges and opportunities to perform materials design for electrocatalysis from the aspect of surface and interface engineering.

Key words: Synthesis, Surface engineering, Interface engineering, Electrocatalysis, Hybrid structure