【原】碳基电化学催化剂的七年：我们在哪里，我们需要去哪里

地球上丰富的碳可能为清洁、可持续的能源提供丰富的可再生资源。根据一项调查最新进展的国际合作，这种被称为碳基电化学催化的技术可以使绿色能源转换成为可能，但尚未准备好广泛应用。

研究人员表示，虽然催化剂尚未达到工业部署所需的性能和成本效益的最佳点，但通过碳基无金属电催化剂（C-MFECs）的承诺，有明确的途径来推进该技术。近日，北京化工大学、Nano Research Energy 青年编委胡传刚教授和澳大利亚新南威尔士大学戴黎明教授在清华大学主办的高水平学术期刊Nano Research Energy上发表题为“Recent progress in carbon-based electrochemical catalysts: from structure design to potential applications”关于碳基无金属电催化剂进展与展望的综述。

“必须开发可持续和清洁的能源以及相关的存储设备，以缓解能源短缺和环境污染，”戴黎明教授说。“在本文中，我们对合理设计的C-MFEC开发的最新进展进行了简明但批判性的回顾，这些C-MFEC具有用于能量相关反应和系统的高性能活性位点。我们还讨论了当前的挑战和未来的机遇，为它们在各种具有实际意义的催化过程中的潜在应用提供前瞻性指导。

电化学催化剂通常加速电极处的反应，这通常需要金属。效果最好的金属（如铂），稀缺且昂贵。更常见的金属（如铁和铜），更便宜，但在加速完全反应方面效率较低。

碳材料具有多种优势，包括高的地壳丰度，良好的导电性，大的比表面积，以及在分子水平上的结构可调性，为低成本、高性能的无金属碳基电催化剂（C-MFECs）开发提供了可能性。

根据胡传刚教授教授的说法，C-MFECs提供了贵金属基和过渡金属基电催化剂的潜在替代品。“迫切需要低成本，高活性和稳定的无金属可再生能源技术替代品”。

图1. 碳基无金属电催化剂(C-MFECs)的研究和开发的进展为可再生能源和环境修复的各种重要反应提供了贵金属催化剂的潜在替代品。图源：Nano Research Energy，清华大学出版社

“经过大约十年的全球广泛研究和开发，随着这些新开发的战略的可用性，C-MFECs显示出在可再生能源和具有实际意义的环境技术中的潜在应用。主要是自2015年以来，已经报道了许多通过内在催化结构调整和合理组装来设计C-MFECs来提高电化学催化活性的策略。

在他们对过去7年的科学文献的评估中，研究人员发现，最近的工作包括如何控制结构设计和内在催化活性位点的调节，或者催化剂如何有效地引起所需的反应，还包括3D组装和复合结构的构建以及对C-MFECs潜在机制的研究。

图2. 自2015年以来C-MFECs重要发展的时间表

近年来，C-MFECs领域取得了巨大进展，合理设计和调节C-MFECs的配置和结构可以用于定制具有所需性能和性能的先进催化剂，这可以使C-MFECs在可再生能源技术市场的竞争中超过金属基催化剂。

为了支持C-MFECs作为大规模实际应用的金属替代品的发展，仍然“迫切需要”开发高效和可控的合成策略。根据戴和胡的说法，研究人员应该专注于克服关键挑战，以生产大规模，可重复的C-MFECs，具有均匀稳定的电催化活性位点，用于特定反应。

这些障碍包括开发更好的合成和精确控制C-MFECs的结构和性质；改进催化剂及其活性位点的表征，以更好地为理论建模提供信息；开发多功能C-MFECs；以及准备可以工业化使用的C-MFECs。

图3. C-MFECs发展的挑战和前景

“我们的目标是对C-MFECs开发的最新进展进行及时、简洁但批判性的回顾，以指导高性能C-MFECs的设计和合成。”胡传刚教授说。

文献信息：

Jixin Yan et al, Recent progress in carbon-based electrochemical catalysts: From structure design to potential applications, Nano Research Energy (2022). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120047

论文网址：

https://www./article/10.26599/NRE.2023.9120047

资料来源：phys.org、Nano Research Energy等