南航朱印龙教授团队AEM综述：用于阴极还原反应增值产物电合成的钙钛矿氧化物

第一作者：陈艳

通讯作者：李博闻*，朱印龙*

单位：南京航空航天大学

随着人类文明与工业化进程，化石燃料的过度消耗已引发全球性的能源危机和严峻的环境污染问题。为应对这一挑战，开发可再生能源技术（如可再生能源发电、能源存储与转换等）已成为广泛的研究与创新方向。其中，电催化技术被视为一项关键且有前景的解决方案，它能够利用电化学反应，将地球上丰富的分子（如 H₂O、N₂）和环境污染物（如 CO₂）转化为具有附加值的燃料、化学品和化肥等。在增值产物的电合成中，阴极的还原反应至关重要，特别是那些有气体参与的反应：析氢反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）和氮气还原反应（NRR）。这些反应是实现可持续能源转换与存储的核心技术。例如，HER 可利用可再生电力从水中生产绿色氢气；CO₂RR 能将造成环境问题的 CO₂转化为高价值化学品和燃料；NRR 则可在环境条件下将空气中的 N₂电化学转化为氨，为高耗能的哈伯-博世法提供更绿色的替代方案。然而，这些气体参与反应的缓慢动力学严重阻碍了其大规模实际应用。因此，开发高效、稳定且选择性高的电催化剂至关重要。钙钛矿氧化物因其结构的多样性、组成的可调性以及丰富的电子特性，在这类反应中展现出独特的催化优势和巨大潜力，成为一类极具前景的电催化剂材料。本综述旨在系统总结钙钛矿氧化物在 HER、CO₂RR 和 NRR 中的应用进展，以推动可持续能源技术的发展。

近日，南京航空航天大学朱印龙教授团队在能源材料领域顶级期刊 Advanced Energy Materials 上发表了题为“Perovskite Oxides for Electrosynthesis of Value‐Added Products by Gas‐Involving Cathodic Reduction Reactions”的综述文章。该文章系统总结了钙钛矿氧化物在HER、CO₂RR和NRR等阴极还原反应中的最新研究进展，深入探讨了其结构特性、反应机理与性能优化策略。文章首先聚焦于三种关键的阴极还原反应：析氢反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）和氮还原反应（NRR）。这些反应能够利用可再生能源电力，将水、温室气体（CO₂）和氮气（N₂）分别转化为清洁的氢气、高价值燃料与化学品、以及氨，是实现碳中和与可持续能源循环的核心技术。随后，文章详细阐述了钙钛矿氧化物（包括简单钙钛矿、双钙钛矿、Ruddlesden-Popper钙钛矿氧化物等）作为电催化剂的独特优势。综述重点梳理了通过A位/B位离子调控、氧空位工程、形貌调控、表面修饰及异质结构建等多种策略，来提升钙钛矿在HER、CO₂RR和NRR反应中的活性、选择性与稳定性的最新成果。最后，文章前瞻性地指出了该领域未来的研究方向，包括深入揭示材料“结构-性质-性能”之间的内在关联、利用人工智能加速新材料设计，以及推动钙钛矿催化剂在质子交换膜电解槽等实际器件中的集成与应用，作者希望能为该领域未来的研究提供一些思路，推动下一代高效电催化材料的研究与开发。

钙钛矿氧化物能够利用太阳能、风能等可再生能源产生的电力，驱动三类关键的气体参与的阴极还原反应并将其高效转化为高附加值产物。其转化路径包括：通过析氢反应（HER） 将水高效转化为清洁能源载体氢气；通过二氧化碳还原反应（CO₂RR） 将温室气体CO₂转化为具有价值的碳基燃料和化学品；通过氮还原反应（NRR） 在环境条件下将空气中丰富的氮气合成氨，为化肥和化工行业提供了一条潜在的低能耗替代路径。钙钛矿氧化物凭借其独特的晶体结构、可灵活调控的A/B位离子组成以及丰富的电子特性，能够被精细设计以优化上述各反应中关键中间体的吸附行为，从而同时兼顾高催化活性、高产物选择性和长期稳定性，为实现高效、可持续的电化学合成提供了极具前景的材料解决方案。

钙钛矿氧化物体系包括单钙钛矿、双钙钛矿、三钙钛矿和Ruddlesden-Popper钙钛矿等多种结构类型，在HER、CO₂RR和NRR等阴极还原反应中均展现出显著的应用潜力。

基于对现有研究的系统分析，钙钛矿电催化剂的发展可划分为三个相互关联的演进阶段：第一阶段通过理论预测与实验筛选确定具有合适电子结构和吸附特性的活性组分；第二阶段采用掺杂调控、缺陷工程、形貌优化等策略提升材料性能；第三阶段则致力于将优化后的催化剂集成到膜电极等实际器件中。目前不同反应体系的发展程度存在显著差异：析氢反应研究已进入器件集成阶段，重点突破酸性电解环境下的实际应用瓶颈；二氧化碳还原反应正处于从材料优化向器件集成过渡的关键时期；而氮还原反应的研究仍集中于活性组分的筛选与机理探索这一初始阶段。值得注意的是，这些阶段并非严格递进，新材料开发与性能优化始终贯穿整个发展进程。

钙钛矿氧化物电催化剂未来发展的核心方向主要包括三个关键方向。首先，需要通过结合原位表征技术和理论计算，系统揭示其结构、本征物理化学性质与催化性能之间的关系，为理性设计催化剂奠定基础。其次，实施AI引导的材料筛选，以加速高效钙钛矿电催化剂的设计。通过将实验数据和理论见解整合到机器学习模型中，研究人员可以识别与高催化活性、选择性和稳定性密切相关的关键结构描述符。最后，推动催化剂从实验室研究向实际器件应用转化，解决在质子交换膜电解槽等工业装置中的稳定性、选择性和系统兼容性等关键技术挑战。这三个方向相互支撑，共同推动钙钛矿电催化剂从基础研究走向实际应用。

Perovskite Oxides for Electrosynthesis of Value‐Added Products by Gas‐Involving Cathodic Reduction Reactions

朱印龙教授：南京航空航天大学国际前沿科学研究院教授、博士生导师、国家海外高层次青年人才入选者、江苏特聘教授，澳大利亚基金委 DECRA 学者，国际先进材料协会会士。南京工业大学材料化学工程博士 (2012-2017)，澳大利亚莫纳什大学（Monash University）博士后、项目研究员 (2018-2021)，2022 年回国入职南航前沿院成立“先进功能氧化物材料及能源催化实验室”，长期从事新能源材料与器件研究（燃料电池、金属空气电池、电催化/电合成等）。共发表SCI论文100余篇，其中包括第一/通讯作者在 Chem. Soc. Rev. (1)、Nat. Commun. (5)、J. Am. Chem. Soc. (1)、Adv. Mater. (4)、 Angew. Chem. Int. Ed. (3)等期刊发表60余篇，总共被引用 >11000 余次，h-index 指数为 52。作为项目负责人主持国家自然科学基金海优/面上/青年项目，澳大利亚基金委优秀青年基金/探索项目等。荣获国际先进材料协会青年科学家奖、Chem. Commun. /Energy & Fuels期刊新锐科学家、Ind. Chem. Mater. 期刊青年创新奖、澳大利亚基金委早期职业研究员奖，英国皇家化学学会高被引作者、全球前2%顶尖科学家等。

课题组网页：https://www.x-mol.com/groups/Zhu_Yinlong

李博闻副教授：南京航空航天大学国际前沿科学研究院副教授、硕士生导师、国家海外博士后计划入选者、江苏双创博士。新加坡国立大学化工学院本科(2011-2015)，博士(2015-2019)，剑桥碳减排化工技术中心博士后(2020-2022)，2022 年回国入职南航前沿院并加入朱印龙教授课题组，主要从事纳米材料的可控合成、形貌控制与催化应用研究，以第一/通讯作者在Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.等国际期刊上发表多篇论文。

因课题组发展需要，南京航空航天大学朱印龙教授课题组现诚招博士后2-3名，欢迎具有化学、化工、材料背景，对能源光/电催化、电合成、燃料电池、膜材料/膜电极、金属-空气电池、理论计算等领域感兴趣的有志之士加入研究团队。同时欢迎同行朋友来信探讨潜在合作课题。感兴趣者可邮件联系：zhuyl1989@nuaa.edu.cn。