Nano Research观点：用于析氧反应的自支撑过渡金属硫族化合物

第一作者：张婷

通讯作者：管景奇，孙见蕊

单位：吉林大学，长春工业大学

随着一次能源的快速消耗，我们正面临着能源危机、环境污染和异常的气候变化，迫使我们立即开发高效的能源储存和转换技术。氢气因其可再生性、高储能能力和高环境友好性而被公认为未来可持续发展系统中的能源载体。在目前的制氢方法中，电化学水裂解是一种环保、安全、简单的方法，可应用于商业大规模制氢。然而，氧演化反应（OER）作为水分裂过程中的阳极半反应，涉及多步四电子转移过程，产生较高的能垒驱动反应。虽然商用RuO₂和IrO₂是制备OER的高效电催化剂，但它们在地壳中的稀缺性和高成本阻碍了其广泛的商业应用。

因此，开发土壤丰度高、价格低、高效、耐久性高的非贵金属OER电催化剂是当务之急。过渡金属硫族化合物由于其独特的物理化学性质、丰富的活性位点、良好的导电性、电子性能可控和相对温和的制备条件，已成为一种很有前途的水裂解电催化剂。然而，所制备的过渡金属硫族化合物大多为粉末状，其耐久性差、催化OER活性低的缺点很明显，这极大地阻碍了电催化在水裂解中的应用。

与传统的粉末催化剂相比，催化剂在导电基板上生长具有以下优点：

(Ⅰ)基板材料能够分散催化剂，有利于气体的吸附和解吸过程。

(Ⅱ)在不使用粘合剂的情况下，催化材料可以与导电基底紧密结合，不仅简化了制备过程，而且保证了电荷的快速转移，提高了电催化活性。

(Ⅲ)导电基底使活性成分的高负载，提供丰富的活性位点。

近日，吉林大学管景奇教授课题组，在国际知名期刊Nano Research上发表题为“Self-supported transition metal chalcogenides for oxygen evolution ”的观点文章。本文综述了自支撑过渡金属硫属化物电催化剂的研究进展，重点介绍了其OER催化性能。首先介绍了OER的基本原理和评价参数，并介绍了各种独立电催化剂的制备方法。据此，讨论了自支撑过渡金属硫化物、过渡金属硒化物和过渡金属碲化物。随后，详细介绍了先进的优化策略（包括界面和缺陷工程、杂原子掺杂），以提高自支撑电催化剂的固有催化活性。最后，提出了自支撑硫系电催化剂的设计和构建所面临的挑战和前景，为进一步的研究提供了方向。

OER是一个四电子质子转移过程，反应动力学缓慢，OER机理非常复杂。目前提出的接受程度较为普遍的OER的作用机理包括吸附演化机制（AEM）和晶格氧演化机制（LOM）。对于OER反应的评价参数包括过电位(η)，塔菲尔斜率(b)，周转频率(TOF)，法拉第效率(FE)，电化学活性比表面积(ECSA)等。

自支撑硫属化合物OER电催化剂具有多种合成方法，人们开发了各种制备技术来合成具有特定结构和形态的电催化剂。在此部分介绍了水热/溶剂热反应、化学气相沉积、电沉积、真空过滤、冷冻干燥和模板合成六种类型的合成策略，应用的方法取决于选择性基材和目标催化剂组分。

利用泡沫镍、碳布、碳纤维纸、金属网等作为基底的各种策略来制备自支撑电催化材料，相比于无衬底硫属化合物催化剂具有更优异的OER性能。底物与催化剂之间的紧密相互作用保证了催化剂在恶劣环境下的整合结构，无粘结剂的使用，大大简化构建过程，便于实际应用。还可以有效地提高电化学界面，提高质量传输速率。电催化活性与电催化剂的结构和形貌密切相关，不同的合成方法在纳米结构和形态是不同的，研究具有自支撑结构的电极材料在提高OER性能方面具有巨大的潜力。

只具备高密度活性中心的电催化材料，可能有较低的电导率，从而表现出较差的整体催化性能。表面工程策略被广泛采用来提高电催化活性，通过合理设计催化剂的表面形态(如2D纳米片和3D纳米片/棒/阵列结构)可以有效地创建和增加活性位点，提高电子传输效率。整体电荷传输界面过程可以影响催化剂的性能。此外，催化剂是晶体结构还是非晶体结构的形态，对OER的活性和稳定性也是有影响的。在热压和酸蚀刻下不能保证结构可控，需要开发高效、简便的方法来合成结构和缺陷可控的电催化材料。因此，界面工程对于提高自支载电催化剂的性能也是非常重要。

管景奇教授简介：管景奇，吉林大学“唐敖庆学者”英才教授、博士生导师，从事纳米簇-单原子材料合成及能源转化与储存研究。于2002年和2007年分别获得吉林大学化学学士和理学博士学位。2012-2018年先后在加州大学伯克利分校和大连化学物理研究所从事博士后研究。迄今为止共发表SCI论文190余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nat. Catal.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Sci.，Coord. Chem. Rev.等期刊上共发表相关SCI论文160余篇和2个学术专著章节，H因子41。目前担任《催化学报》和《物理化学学报》期刊青年编委。个人主页：https://teachers.jlu.edu.cn/Guan_Jingqi/zh_CN/index/39768/list/index.htm。

孙见蕊副教授简介：孙见蕊，长春工业大学副教授，从事电化学析氢析氧能源材料方面的研究，于2012年获得吉林大学博士学位，2015-2017年在中国科学院长春应用化学研究所从事博士后研究。迄今为止发表高质量SCI论文10余篇，主持或参与多项国家自然科学基金项目、吉林省科技厅项目等。

张婷，毕业于哈尔滨学院，获理学学士学位。现为长春工业大学硕士研究生，导师是孙见蕊副教授。主要研究方向是新型电极材料的开发。目前以第一作者身份在Nano Res. 和Int. J. Hydrogen Energy杂志上发表SCI论文2篇。

“Self-supported transition metal chalcogenides for oxygen evolution”

https://doi.org/10.1007/s12274-023-5670-6

投稿请联系contact@scimaterials.cn