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王得丽AFM综述：变废为宝，腐蚀工程构筑电解水催化剂

邃瞳科学云

2020-12-27

文章信息

变废为宝，腐蚀工程构筑电解水催化剂

第一作者：刘旭坡

通讯作者：王得丽*

单位：华中科技大学，河南师范大学

研究背景

电催化材料对水电解制氢产业的发展至关重要，传统贵金属催化剂存在价格昂贵的问题，限制了水电解产业的发展，因此开发廉价、高效的电催化剂非常必要。前期研究已报道许多性能优良的非贵金属催化剂，但同时也存在所需原材料种类多、设备要求严格和制备周期长等问题，使得生产成本升高，阻碍了非贵金属催化剂的发展。因此，在追求优良的电催化性能同时，探索简便的制备工艺是非贵金属催化剂研究不能忽视的一个重要课题。

研究背景

近日，来自华中科技大学的王得丽教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Transforming Damage into Benefit: Corrosion Engineering Enabled Electrocatalysts for Water Splitting”的综述文章。

该综述文章介绍了腐蚀工程的概念、腐蚀反应机制与影响因素，分析了腐蚀工程制备电解水催化剂的研究现状，重点阐释了提升催化剂性能的主要策略，并对该领域的未来发展进行了展望。图1为基于腐蚀工程构筑高效电解水催化剂的概括图片。

图1. 基于腐蚀工程构筑高效电解水催化剂

本文要点

要点一：腐蚀工程简介

腐蚀工程主要基于金属材料的自发腐蚀过程，在金属基底表面构筑氢氧化物或氧化物腐蚀层，该腐蚀层可以作为电催化反应的活性物质。腐蚀实质上是发生在金属表面阳极和阴极微区的氧化还原反应，采用的腐蚀剂主要为强氧化性物质，比如O2、Fe3+、H2O2、S2O82-等，氧化生成的金属离子与OH-结合在基底表面形成腐蚀层，腐蚀层的形成过程如图2所示。

腐蚀过程受到氧气/水含量、溶液离子种类/浓度/pH值和反应时间等因素的影响，通过调控上述因素可以优化腐蚀层的结构与电催化性能。

图1. 腐蚀工程制备催化剂示意图

要点二：腐蚀工程构筑催化剂的发展现状

腐蚀工程可用于粉末和自支撑催化剂的制备，前期研究主要在金属表面构建氢氧化物腐蚀层，特别是NiFe氢氧化物，所制备的催化剂材料主要用于OER反应，表现出优良的OER活性与稳定性。而关于HER的相关研究比较少，主要通过引入其他元素掺杂调控腐蚀层电子结构、或进一步转化腐蚀层生成磷化物、氮化物来获得高效HER催化剂。

相比于传统的制备方法，腐蚀工程在室温、开放环境下构筑催化剂，具有所需原材料种类少、合成简便、可控性强、低能耗和适合大批量生产的优点，展现出广阔的应用前景。

要点三：未来发展趋势

虽然前期研究已取得许多创新性成果，但腐蚀工程领域仍面临如下挑战：

（1）通过腐蚀科学与材料科学的学科交叉，将腐蚀科学中的表征手段（如质量损失、腐蚀极化曲线、开路电位-时间曲线等）用于腐蚀层生长机制分析，揭示金属的腐蚀机理，为催化剂活性层的结构与性能调控提供理论基础。

（2）目前，腐蚀工程主要用于OER催化剂制备，未来研究可以着重调控腐蚀层的电子结构，优化其HER活性，获得高效的HER催化剂，特别是双功能HER/OER催化剂。

（3）探索腐蚀工程制备的自支撑电极在大电流密度下的长期运行，满足工业电解水的要求（电流密度大于400 mA cm-2），而如何有效提高腐蚀层与基底的结合强度是需要重点关注的问题。

文章链接

Transforming Damage into Benefit: Corrosion Engineering Enabled Electrocatalysts for Water Splitting

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202009032

通讯作者介绍

王得丽教授，华中科技大学教授/博导。

2008年博士毕业于武汉大学，博士毕业后先后在新加坡南洋理工大学燃料电池研究中心和在美国康奈尔大学能源材料研究中心做博士后研究工作，2013年初入职华中科技大学。多年来一直从事燃料电池电极催化剂以及锂电池电极材料的设计以及性能优化方面的研究。近年来，在Nat. Mater.，Nat. Commun.，JACS，Nano Lett. 国内外知名学术期刊上发表论文100余篇，获得美国授权发明专利2项，中国发明专利6项，担任《Nano Mater. Sci.》、《Energ. Fuel.》、《J. Phys. Energy》、《储能科学与技术》杂志编委、《Chin. Chem. Lett.》青年编委以及加拿大国际电化学能源科学研究院青年委员。

第一作者介绍

刘旭坡，2018年博士毕业于中国地质大学（武汉），博士毕业后加入王得丽教授课题组从事博士后研究

2020年入职河南师范大学，主要从事新型纳米材料在电解水和质子交换膜燃料电池领域的应用研究。近五年，在Adv. Funct. Mater.、Small、J. Mater. Chem. A、Sci. Bull.等国内外知名学术期刊上发表论文10余篇。

课题组介绍

课题组隶属于华中科技大学能量转换与存储材料化学教育部重点实验室。

课题组主页：http://deli.chem.hust.edu.cn/

课题组招聘

欢迎化学、材料学、物理学等专业背景的学生报考本课题组的硕士、博士研究生。