Small Structures: 与纳米通道材料有关的电催化析氢反应

雨辰

2021-08-19

电催化析氢反应(HER)是一种高效、清洁的制氢方法，但其瓶颈在于非贵金属电催化剂/电极的催化活性较低。目前，具有通道结构的多孔材料显示出优异的 HER 性能的巨大潜力。

有鉴于此，中国地质大学夏帆教授等人，综述了现有的具有 1D、2D 和 3D 通道的 HER 电催化剂/电极的研究进展。

本文要点

1）首先介绍了 HER 电催化剂/电极的最新进展和挑战。然后，分别给出了局限于非活性主体多孔材料中的电催化剂、电催化剂直接作为主体材料、局限于活性主体多孔材料中的电催化剂的不同构型。最后，对多孔电催化剂/电极的应用前景进行了展望。

2）根据维度的不同，多孔材料中的通道分为一维、二维和三维通道。纳米管和二维层状材料分别是应用最广泛的一维和二维通道材料。而 3D 通道包括封装材料的空腔、载体材料的孔隙率以及 1D 和 2D 通道的组合。无论通道是 1D、2D 还是 3D，可利用通道和较大的表面积均可显著提高活性位点的质量输运性质和数量。对于一维通道材料，电催化剂可以封装在通道的密闭空间中，从而提高氢的吸附/解吸能力。对于 2D 通道材料，HER 性能与层间距离有关。较高的二维通道和较大的层间距离更有利于质量输运性能，但也会给一些二维电催化剂的电子输运性能带来问题。3D 通道可以是不同维度通道或不同尺寸通道的组合。规则的尺寸以及不同尺寸的通道的协调更有利于H₂气泡从电极中逸出，这将导致更好的HER性能和更好的电极动态特性。

3）尽管通道材料在 HER 的应用方面取得了很大进展，但仍然存在不足，特别是从机理方面。实际上，在纳米尺度下，通道内的液体或电解质的性质与无约束条件下有很大的不同。然而，目前已发表的研究多集中在电催化剂方面。通道内电解质的传质或其他特性是一个值得注意的问题。此外，在分子水平上对催化剂和主体的界面结构进行原位表面分析也值得重视。在许多应用中，光谱测量可以有效地确定原位性质。同时，反应过程中产生的气泡对HER的研究提出了挑战。此外，通道的狭窄空间限制了接触检测方法的使用。因此，非常需要新的表面分析方法，例如光学分析方法。只有具备足够的基础知识和深入研究，才能充分利用具有通道的多孔材料进行 HER。

参考文献：

Jing Pan et al. Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction related to Nanochannel Materials. Small Structures, 2021.

DOI: 10.1002/sstr.202100076

https://doi.org/10.1002/sstr.202100076