清华大学化工系张强

zhongyu

提高涉气能源电催化性能的多尺度原则

以氧气还原（ORR）、氧气析出（OER）、氢气析出（HER）为代表的能源电催化是电解水制氢、燃料电池、金属空气电池等下一代清洁高效能源系统的核心技术，也是关键瓶颈。这些反应涉及多步质子耦合的电子转移过程，过电势很大，因而能量效率受限。目前，大量的研究工作集中在催化剂的开发研究，已有诸多材料有望取代贵金属催化剂。但由于存在气体参与，实际反应只能在气/固/液三相界面处有效发生。因此，研究不仅需要从材料科学角度对催化剂进行设计，也要关注界面化学和反应行为，从不同层次综合优化，方可实现性能的最大幅度提高和在能源器件中的高效应用。

近日，清华大学化工系的张强教授研究团队受邀在国际顶尖综述期刊Accounts of Chemical Research上发表了题为“Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis”的综述文章。该综述系统总结了提高涉气能源电催化性能的思路，从电子结构调控、多级形貌构筑和电极界面优化三个维度阐述了催化剂的材料设计原则和合成策略，特别是针对无金属纳米碳材料、过渡金属化合物等。

涉气能源电催化对于基础研究和实际应用都具有非常重要的意义。该综述从普适的多相催化特点和催化剂的构效关系出发，基于团队前期的工作，提出这一多尺度的原则，对于未来的电催化研究具有很好的指导意义。同时，该论文也指出未来研究中的挑战和机遇，不仅对ORR/OER/HER非常重要，也将有助于CO2还原、N2还原、H2O2合成等领域的研究。

该工作的作者依次为清华大学的唐城、王浩帆和张强。近年来，清华大学的张强教授研究团队主要从事能源材料，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究。该研究团队在碳基和非贵金属电催化剂的电子结构调控、多级结构纳米碳和复合催化剂的设计合成、宏观电极构筑和器件演示等方面开展了大量的研究，并取得了一系列具有国际影响力的进展。相关成果相继发表在Small, 2014, 10, 2251-2259; Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 5956; Adv. Mater., 2015, 27, 4516; Adv. Mater., 2016, 28, 6845; Sci. Adv., 2016, 2, e1600495; Adv. Mater., 2017, 29, 1604103; Adv. Mater., 2017, 29, 1703185; Adv. Mater., 2017, 29, 1702327; Adv. Mater., 2017, 29, 1705110; Nat. Commun., 2017, 8, 934; J. Energy Chem.,2017, 26, 1077等。

该论文作者为：Cheng Tang, Hao-Fan Wang, Qiang Zhang

Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis

Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00616