寇宗魁/乜广弟CEJ综述：静电纺纳米纤维型水分解电催化剂的合理设计- 大数跨境

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寇宗魁/乜广弟CEJ综述：静电纺纳米纤维型水分解电催化剂的合理设计

科学材料站

2021-07-09

导读：该综述文章分别从析氢反应（HER）、析氧反应（OER）及全水解三个方面，系统、全面地总结了静电纺纳米纤维电催化剂在组成调控、结构设计等方面的最新研究进展

文章信息

综述：静电纺纳米纤维型水分解电催化剂的合理设计

第一作者：张振渊（青岛大学）

通讯作者：寇宗魁（武汉理工大学）*，乜广弟（青岛大学）*

单位：青岛大学，武汉船用电力推进装置研究所，武汉理工大学，吉林大学

研究背景

水的理论分解电压为 1.23 V，由于电解时极化现象及溶液电阻的存在，往往导致过电势的产生，因此，开发高效稳定的新型电催化剂以降低水分解时的过电势，提高电解水的能量转换效率，减少电能的消耗，最终降低电解成本是十分必要的。

静电纺纳米纤维材料具有诸多优点，具体包括：（1）良好的柔韧性，（2）灵活可控的形态结构，（3）较大的比表面积有利于负载更多的活性物质，从而提供大量的活性位点，（4）超高的孔隙率及相互连通的网络结构有利于离子/电子传输，（5）易于制备。

近年来，静电纺纳米纤维材料在电催化水分解领域的应用研究受到了广泛关注，然而，相关的综述论文却非常有限。

鉴于此，本文简要介绍了静电纺丝技术的起源、原理、设备和后处理方法，在此基础上，系统地综述了静电纺纳米纤维催化剂在析氢、析氧和全水解方面的最新研究进展，并指出了纳米纤维电催化剂未来的发展方向。

文章简介

本文中，青岛大学的乜广弟副教授与武汉理工大学寇宗魁研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Rational Design of Electrospun Nanofiber-Typed Electrocatalysts for Water Splitting: A Review”的综述文章。

该综述文章分别从析氢反应（HER）、析氧反应（OER）及全水解三个方面，系统、全面地总结了静电纺纳米纤维电催化剂在组成调控、结构设计等方面的最新研究进展，还讨论了静电纺纳米纤维材料在水分解电催化剂进一步发展中面临的挑战和应用前景。

图1. 静电纺纳米纤维型水分解电催化剂的设计。

本文要点

要点一：静电纺丝基础

静电纺丝技术是一种利用高压电场力制备纳米纤维的方法，起源于电喷雾技术，最早可以追溯到1882年Raleigh关于带电液滴的研究。

经过此后几十年的发展，静电纺丝技术越发完善。静电纺丝装置十分简单，主要包括：高压电源、喷丝头、接收装置及其他辅助装置。在整个静电纺丝过程中，影响纳米纤维成型的因素非常多，包括：聚合物溶液的性质（如聚合物相对分子量、聚合物溶液浓度和黏度等）、加工参数（如电压、聚合物注射速度和接收距离等）及环境因素（温度、湿度等）等。

通过改变其中的某些参数，可以轻松地调控纤维的形态和结构。此外，通过对静电纺丝喷丝头和收集装置进行改进，也可以实现纳米纤维形态结构及生产效率的有效调整。静电纺丝技术还可以与一些后处理方法相结合（如煅烧、溶剂热、电化学沉积、化学气相沉积及磁控溅射等），对纳米纤维进行物理、化学改性，从而赋予纳米纤维一些独特的性能，如大的比表面积、良好的浸润性以及显著改善的催化活性等。

图2. （A）静电纺丝基本装置图，（B-I）不同形貌的静电纺材料，（J-L）喷丝头形式。

要点二：静电纺纳米纤维基水分解电催化剂

常见的电解水装置主要由阴极、阳极和电解质三部分组成。电化学分解水是利用电能将水分子分解成氢气和氧气的过程，包括阴极的HER和阳极的OER。HER包括氢吸附和脱附过程，理论上，氢中间体的吸附自由能（ΔGH*）应该非常接近0，这在很大程度上取决于催化剂的电子构型和几何结构。

基于此，人们开发了多种静电纺纳米纤维基催化剂，如贵金属、过渡金属及其合金、金属硫化物、磷化物、碳化物等，它们大多与碳纳米纤维复合，以增强HER活性。OER涉及复杂的四电子转移过程，其电化学动力学相对缓慢，通常需要更高的过电位，因此，开发高效的OER电催化剂以突破全水解的瓶颈就显得更为迫切。

目前，基于静电纺纳米纤维的OER电催化剂的研究主要集中在储量丰富的过渡金属合金和化合物上。开发同时具有HER和OER活性的双功能电催化剂是提高电解水效率和简化整个系统设计的关键策略。

一般来说，HER催化剂通常在酸性介质中表现出良好的活性，而大多数OER催化剂只能在碱性条件下稳定存在。尽管如此，几种典型的静电纺碳基纳米纤维在高pH条件下仍表现出优异的双功能催化活性。

要点三：结论与展望

在实际电解槽中，需要在低于300 mV 的过电势下使电流密度达到500 mV cm-2以上，而目前众多的非贵金属催化剂的性能仍与之相距甚远。

因此，可以从以下几个方面入手：（1）通过改变静电纺前驱体溶液的组成及碳化温度，或与其他后处理方法巧妙结合，实现对纳米纤维化学组成、形貌结构的调控，进而改善其电催化性能；（2）通过对催化剂载体、界面效应、缺陷及元素掺杂等进行调节，进一步提高催化剂的电子和质量传递效率；（3）开发在同一介质中具备优异HER和OER催化活性的双功能电催化剂。

此外，之前报道的大部分水分解电催化剂都为粉末形式，在实际应用中，通常需要使用聚合物黏合剂，这样往往导致界面电阻增大及活性位点减少，因此，开发新型的自支撑电极势在必行，静电纺丝技术的出现及快速发展则为此提供了一种便捷的可行方法。

最后，静电纺纳米纤维催化剂的大规模生产依然面临诸多挑战：（1）静电纺前驱体溶液中一般都需要使用大量易挥发的有毒有机溶剂，如果随意排放将对环境造成较大污染，而这些溶剂的回收又繁琐复杂，且成本较高；（2）改进或开发新的静电纺设备，使电纺过程中的带电射流稳定而不中断，大批量生产形貌、结构稳定的纳米纤维。

文章链接

Rational Design of Electrospun Nanofiber-Typed Electrocatalysts for Water Splitting: A Review

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721027157#ak005

通讯作者介绍

寇宗魁研究员。

湖北省青年人才项目获得者。2017年博士毕业于武汉理工大学，师从木士春教授，随后在新加坡国立大学John Wang教授课题组从事博士后研究，2021年3月加入武汉理工大学Francis Verpoort 教授课题组。主要研究方向为原子尺度电催化材料的开发及催化机理研究。近五年在材料、化学、能源及其交叉学科领域发表学术论文100余篇，其中以第一作者（含共同第一作者）及通讯作者发表中科院一区论文40余篇，SCI他引3500余次，H因子为37，其中包括IF>15有20篇（Adv Mater 2篇、Adv Energy Mater 2篇、Adv Funct Mater 3篇、ACS Energy Letters 1篇、Adv. Sci. 1篇、Electrochemical Energy Reviews 2篇、ACS Catal 2篇、Nano Energy 4篇、Appl Catal B-Environ 4篇等）；其中，高被引论文7篇，热点论文1篇；获国家授权发明专利2项；受Wiley旗下《Small Methods》邀请综述一篇。受邀为AM、AEM、AFM、Nano Energy、Chem Sci等多本国际高影响力学术期刊独立审稿人。受邀为《Energies》期刊客座编辑（IF=2.707）。多次受邀参加国内外重要学术会议并作邀请报告。

乜广弟副教授。

2017年博士毕业于吉林大学化学学院，师从王策教授，随后加入青岛大学纺织服装学院，2019-2020年，在新加坡国立大学John Wang教授课题组进行访问、交流，现为青岛大学特聘教授，硕士生导师。主要研究方向是纳米纤维材料在能源储存和转换领域的应用，重点从事超级电容器电极材料和电催化剂的研究。已发表SCI学术论文50余篇（第一作者/共同第一作者及通讯作者论文20篇），被引用次数超过1600次，H因子=27，其中包括Electrochemical Energy Reviews, Nano-Micro Letters, J Mater Chem A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem Eng J, Nanoscale等高水平杂志；合著英文专著1部；主持中国博士后科学基金面上一等资助项目1项，主持山东省自然科学基金博士基金1项，参与国家自然科学基金面上项目3项。