朱印龙研究员/王焕庭教授最新EES综述：新兴的析氢电催化剂家族

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朱印龙研究员/王焕庭教授最新EES综述：新兴的析氢电催化剂家族—金属氧化物基材料

科学材料站

2020-09-22

导读：该工作对在金属氧化物基电催化剂用于HER进行了综合评述。我们首先简要描述了HER的一些关键基本概念，如机理、计算活性描述符和用于评估催化性能的实验参数。

文章信息

新兴的析氢电催化剂家族—金属氧化物基材料

First published: September16, 2020

第一作者：朱印龙

通讯作者：朱印龙*，王焕庭*

单位：澳大利亚Monash大学

研究背景

氢(H2)是一种理想的无碳能源载体，具有最高的能量密度，被认为是有前途的下一代清洁能源。为此，通过高效和生态友好的路线生产氢气对于氢经济和清洁能源的未来至关重要。迄今为止，工业氢气生产主要由蒸汽甲烷重整和煤气化主导，这通常涉及使用化石燃料和高温，导致高能耗、高成本、氢气产品的低纯度和温室气体CO2排放。

目前，贵金属铂族金属(如铂)被确定为具有高活性的基准HER电催化剂，但这些贵金属的高成本和稀缺严重阻碍了它们的广泛商业应用。因此，已经进行了广泛的研究来开发高效的用于HER的无铂电催化剂，例如金属/合金、金属磷化物/硫化物/硒化物/碳化物/氮化物、单原子、功能碳材料和各种协同复合物。这些材料已经进行了广泛的研究并显示出在HER电催化剂中的高应用潜力。

金属氧化物是一类重要的功能材料，具有不同的组成和结构，一般来说，其对HER催化活性不高。近年来（主要是从2015年开始），不断的研究突破和重大进展使工程金属氧化物成为电催化水分解制氢有前途的候选材料。

文章简介

近日，澳大利亚Monash大学朱印龙研究员，王焕庭教授在国际顶级期刊Energy & Environmental Science(影响因子：30.289) 上发表题为“Metal Oxide-Based Materials as an Emerging Family of Hydrogen Evolution Electrocatalysts”的研究工作。

该工作对在金属氧化物基电催化剂用于HER进行了综合评述。我们首先简要描述了HER的一些关键基本概念，如机理、计算活性描述符和用于评估催化性能的实验参数。

随后概述了迄今为止报道的各种类型的金属氧化物基HER电催化剂，包括单一过渡金属氧化物、尖晶石氧化物、钙钛矿氧化物、金属(氧)氢氧化物、特殊结构的金属氧化物和含氧化物的杂化物，特别强调了提高性能和性能-活性相关性的设计策略。最后，对这一激动人心的领域的未来机遇提出了一些结论和展望。

本文要点

要点一：作者总结了目前所报道的各种基于金属氧化物的HER电催化剂，包括单一过渡金属氧化物、尖晶石氧化物、钙钛矿氧化物、金属(氧)氢氧化物、特殊结构的金属氧化物和含氧化物的杂化电催化剂，重点总结了提高性能和性能-活性相关性的电催化剂设计策略。

要点二：该综述介绍的设计有效策略包括金属/非金属离子掺杂、氧空位控制、相结构调控、应力调控、形貌调控、结晶度调控、价态调节、组分优化、形成复合物等。这些策略通过提高电子电导率、优化电子结构和增加催化活性位点来提高金属氧化物的HER电催化性能。

要点三：尽管在这一领域取得了显著进展，但仍然存在一些挑战。该综述指出金属氧化物基电催化剂的未来研究工作可以集中在以下几个方面：(1)开发新材料；(2)利用协同概念；(3) 改进计算和实验工具；(4) 致力于催化剂的实际应用。

文章链接

Metal Oxide-Based Materials as an Emerging Family of Hydrogen Evolution Electrocatalysts

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee02485f#!divAbstract

通讯作者介绍

朱印龙，研究员

2017年毕业于南京工业大学化工学院，获得材料化学与工程博士学位，2017年12月加入澳大利亚莫纳什大学（Monash university）开展博士后研究。目前为澳大利亚研究理事会优秀青年（DECRA）研究员。主要研究方向为燃料电池、金属空气电池、电解水等清洁能源存储与转换技术相关的电催化剂开发，涉及到的反应有氧还原，氧析出，氢析出等。着重通过结构和性质的调控来开发高性能的钙钛矿型催化剂。目前作为第一作者和通讯作者已在Nature Communications，Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition，Matter, Nano Letter、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials，Chemistry of Materials等SCI期刊上发表论文30篇（其中ESI高被引文章5篇，封面及亮点文章7篇），总论文数引用次数近2600次，H指数为24。申请国家发明专利4项（其中2项已授权），作为项目负责人正在主持2项澳大利亚国家基金项目，总资金为100余万澳元。研究成果荣获澳大利亚优秀青年研究员发现奖，江苏省优秀博士论文，江苏省大学生年度人物等荣誉。

https://research.monash.edu/en/persons/yinlong-zhu

王焕庭教授

目前是澳大利亚Monash大学化学工程系教授，澳大利亚工程院院士，任工程学院副院长以及Monash膜创新中心主任。曾获得澳大利亚研究理事会（ARC）Laureate Fellow（2020），QEII Fellowship（2004）、Future Fellowship（2010），英国皇家化学学会会士（2011），美国化学工程师学会会士（2017）以及澳大利亚皇家化学会的R.K. Murphy Medal（2019）。其领导的课题组主要从事高性能膜材料、纳米结构材料的设计与制备及其在环境和能源领域的应用研究，发表期刊发表论文390余篇，多次受邀作国际会议特邀学术报告。王焕庭教授现担任ACS旗下化工权威期刊Industrial & Engineering Chemistry Research副主编。

https://research.monash.edu/en/persons/huanting-wang