论文DOI：10.1021/accountsmr.2c00188
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氢气因其高能量密度和清洁特性而被认为是理想的能源载体。电解水制氢在获得绿氢方面具有巨大优势，然而过渡依赖高成本的贵金属基催化剂限制了大规模应用。开发低成本的过渡金属基电催化剂具有广阔前景。与过渡金属单质及其氧化物相比，将C、N和P原子插入过渡金属母体金属的间隙位点而形成的过渡金属间隙化合物（TMICs）具有类铂的电子结构、高电导率以及良好的化学稳定性，有望克服碱性电解水所面临的高能耗和酸性电解水稳定性差等问题。然而，过渡金属间隙化合物面临颗粒尺寸大、离子动力学迟缓等问题，降低了其电化学效能。减小颗粒尺寸、制造多孔结构和超薄纳米片等微纳结构有利于暴露出更多的催化活性位点，促进质量传输和气体扩散，从而有利于提高催化性能。同时，调节电子结构可以优化中间物种的吸附能，从而提高其内在活性。基于此，在本文中，我们重点讨论了对TMICs的结构设计和电子结构调控的策略。利用多金属氧酸盐团簇作为金属前体，我们提出基于基团相互作用的组装-锚定策略，可以实现对过渡金属间隙化合物的尺寸控制，提高了质量活性；并进一步通过形貌工程、杂原子掺杂、异质结构建等方法实现对TMICs电催化性能的优化，探究了利用前后过渡金属之间的"d-电子互补"效应调节与活性物种的结合强度，实现了高效的全解水。针对碱性体系高能耗问题，我们探究了利用电解水中的氢和氧活性物种，驱动电催化有机反应，在生产高附加值的化学品同时降低能耗。
总结与展望
尽管过渡金属间隙化合物在电催化分解水领域已经取得了一些可观的进展，未来仍具有很广阔的发展空间，这包括（1）在合成方面，可以拓展多酸前驱体的类型，可能会带来对结构和功能的更广泛地调节；特别是设计合成多金属掺杂/多组分的过渡金属间隙化合物为提高材料性能提供了契机；过渡金属间隙化合物的大规模制备也是实现其工业化应用的基石；（2）在电子结构调控方面，除了常用的杂原子掺杂、异质结构建和缺陷工程等方法，相变、应变工程、电子排列、表面重构和自旋极化等也值得关注和探究；（3）在调控催化机制方面，应将先进的表征技术和理论分析（DFT计算和分子动力学模拟等）结合，采用原位或准原位的表征技术，获得工作条件下催化剂的实时状态和演变。另外，理论计算方面也应考虑到电压、局部场和溶剂化效应的影响；（4）在应用方面，在酸性体系下，开发具有良好的耐久性和稳定性的高效低铂/非铂催化剂，从而实现高效的电催化全解水。在碱性体系下，利用水中氢（氧）活性物种来催化有机反应以生产增值的化学品，从而提高“电价值”。特别是面向工业应用时要考虑集成催化剂的设计、传质和扩散等一系列复杂工艺问题。
本篇述评文章将引起人们对过渡金属间隙化合物的更多关注，为开发高效非贵金属催化剂提供一些新的思路，从而推动电催化领域的快速发展，促进绿色能源的应用。
作者介绍
焦艳清副教授，黑龙江大学硕士生导师，分别于2010和2015年在东北师范大学获得学士和博士学位。主要从事多酸基及多酸衍生材料的构筑及其在光/电催化领域的应用研究，先后主持国家自然科学基金青年项目、黑龙江省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目等10余项，并参与国家自然科学基金重点项目、面上项目等多项国家级项目，在Small、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sci. China Mater.、Mater. Chem. Front.等国内外刊物上发表论文30余篇，获得黑龙江省科学技术奖二等奖1项，获授权发明专利4项。
田春贵教授，黑龙江省龙江学者特聘教授，中国化学会青年化学工作者委员会委员，《Chinese Chemical Letters》编委，《应用化学》青年编委。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy. Environ. Sci.、Nano Energy、ACS. Catal.等期刊发表研究论文200余篇，其中19篇入选ESI Top 1% 高被引论文，2篇入选ESI Top 0.1% 热点引论文。论文被引用16000余次，H因子65。连续两年入选科睿唯安全球高被引科学家。获省科学技术奖一等奖1项。
付宏刚教授，黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室主任。曾入选教育部长江学者奖励计划特聘教授，首批“国家万人计划”百千万工程领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选。教育部科技委员会化学化工学部委员（两届），英国皇家化学会会士，RSC重要期刊EES Catalysis副主编，连续5年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光催化和电催化领域的材料设计合成、结构调控，在材料尺寸，晶相，缺陷的选择性控制合成及其在光催化、电催化制氢，有机物合成以及ORR，OER等催化反应过程中的活性和稳定性，反应机制等方面开展工作。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.、Adv. Mater.等期刊发表研究论文380余篇，被他人引用27000余次，H因子88，有50余篇论文进入ESI高被引用论文的Top 1%，5篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。获省科学技术奖一等奖3项，获授权发明专利30余项(含美国、日本、韩国发明专利各1项)。
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