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我院王春栋副教授在Adv. Energy Mater.发表综述文章

作者: 时间:2019-03-18 点击数:

近日,Adv. Energy Mater.在线刊登了华中科技大学王春栋副教授和中国科技大学熊宇杰教授等人总结的用于氧气释放反应的2D层状双氢氧化物的综述。在这篇综述中,作者总结了基于层状双氢氧化物(LDH)的OER电催化剂的合理设计的最新进展。进一步总结了制备方法的各种策略,以及LDH的结构和组成调控规律,并讨论了影响OER催化性能的因素。最后,作者指出了提高LDH电催化剂催化活性所面临的困难和挑战,并对LDH电催化剂的发展前景进行了展望。文章第一作者为华中科技大学博士研究生吕琳,通讯作者为王春栋副教授和熊宇杰教授。

2D Layered Double Hydroxides for Oxygen Evolution Reaction: From Fundamental Design to Application

Lin Lv,Zhaoxi Yang,Kun Chen,Chundong Wang* and Yujie Xiong*

Adv. Energy Mater. 2019, 1803358 (IF=21.875)

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背景介绍

电化学水氧化作为水分解过程中的重要部分引起了人们的广泛关注,在能量存储和转换方面有着广阔的应用前景。与参与水分解的阴极部分的析氢反应(HER)相比,阳极的析氧反应(OER)由于其四电子(4e)转移过程中的惰性使其具有迟滞的反应动力学过程,这不仅阻碍了水分解的高效利用,而且也是减少二氧化碳排放,发展燃料电池及可充电金属空气电池的主要障碍之一。为提高电解水过程中的OER活性,一些已经被商业化的催化剂如RuO2和IrO2,具有优异的催化活性,但这些贵金属催化剂在高阳极电位下的碱性电解液中可能被氧化成RuO4和IrO3,使其逐渐溶解在电解液中。此外,这些贵金属含量稀缺性价格昂贵,限制了它们的大规模生产使用。

因此研究者们为开发替代的催化剂做出了许多实质性的努力,其中一种策略是利用高效、稳定、地表含量丰富和低毒性的非贵金属电催化剂来提高OER活性。在这些众多的非贵金属电催化剂中,二维层状双氢氧化物(LDHs)作为最先进的OER电催化剂之一,其结构和组成灵活可调,制备方法简单可靠,有望成为高性能大规模工业化应用的OER电催化剂。

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影响LDHs催化OER性能的因素

本篇综述中介绍了影响电催化OER性能的诸多因素,总结了众多合成方法对LDHs材料微观结构、物相组成、结晶性和层状结构特性等的影响,介绍了LDHs的插层、剥离的各种方法并说明了不同方法带来不同结构特性对性能的影响机制,通过引入不同插层结构、层层组装结构、多元素掺杂结构、三维中空结构和分级界面结构等产生的不同的电子传输和电荷转移效应、离子吸脱附特性等以提升OER性能,总结了其中的电催化活性位点类型和数量的控制如晶格畸变诱导活性位点的产生,并加深理解了OER催化过程中LDHs中的组成变化和金属离子化学状态转变,有助于确定OER中真正的活性位点和性能衰退机制,以期来监测LDH的OER催化过程,避免副反应的发生并获得更持久耐用的OER电催化剂,这对其实现工业化应用具有非常的意义。该综述被材料人推送https://mp.weixin.qq.com/s/Fetv5UekdTBvN7olIZa4LQ

通讯作者介绍

 

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王春栋,华中科技大学副教授、博士生导师。2013年毕业于香港城市大学物理与材料科学系,获得博士学位;2013年-2015年先后在香港城市大学,比利时荷语鲁汶大学担任高级助理研究员,高级副研究员,鲁汶大学F+研究员,比利时FWO国家博士后。2015年加入华中科技大学光学与电子信息学院,任副教授至今。2013年香港城市大学优秀博士论文奖获得者,2015年获评湖北省“楚天学者”计划楚天学子,2019年入选澳门大学杰出访问学者(澳门大学人才计划),国家重点研发计划(国际合作重点专项)项目负责人。主要研究方向是非贵金属电催化剂设计及应用研究。在Angew. Chem. Int. Ed.等国际刊物发表SCI论文100余篇。

王春栋课题组主页:https://apcdwang.wixsite.com/hust-cdwang

近期电催化方向代表性工作有

1. J.G. Li, H.C. Sun, L. Lv, Z.S. Li, X. Ao, C.H. Xu,Y. Li,C.D. Wang*, Metal-Organic Framework-Derived Hierarchical (Co, Ni)Se2@NiFe LDH Hollow Nanocages for Enhanced Oxygen Evolution,ACS Appl. Mater. Interf.,2019, 11, 8106-8114.

2. J.-Y. Zhang, H.M. Wang, Y.F. Tian, Y. Yan, Q. Xue, T. He, H.F. Liu,C.D. Wang,*Y. Chen,* and B.Y. Xia*,Anodic Hydrazine Oxidation Assists Energy-Efficient Hydrogen Evolution over a Bifunctional Cobalt Perselenide Nanosheet Electrode,Angew. Chem. Int. Ed.2018, 130, 7775-7779.

3. L. Lv, D.C. Zha, Y.J. Ruan, Z.S. Li, X. Ao, J. Zheng, J.J. Jiang, H.M. Chen, W.H. Chiang, J. Chen*,C.D. Wang*, A Universal Method to Engineer Metal Oxide-Metal-Carbon Interface for Highly Efficient Oxygen Reduction,ACS Nano, 2018, 12(3), 3042-3051.

4. L. Lv, Z.S. Li, K.H. Xue*, Y.J. Ruan, X. Ao, H.Z. Wan, X.S. Miao, B.S. Zhang, J.J. Jiang,C.D. Wang*, K. Ostrikove, Tailoring the electrocatalytic activity of bimetallic nickel-iron diselenide hollow nanochains for water oxidation,Nano Energy, 2018, 47, 275-284.

5. Z.S. Li, L. Lv, J.S. Wang, X. Ao, Y.J. Ruan, D.C. Zha, G. Hong, Q.-H. Wu, Y.C. Lan,C.D. Wang*, J.J. Jiang, M.L. Liu*, Engineering phosphorus-doped LaFeO3-δperovskite oxide as robust bifunctional oxygen electrocatalysts in alkaline solutions,Nano Energy, 2018, 47, 199-209.

6. Z.X. Yang, J.-Y. Zhang, Z.Y. Liu, Z.S. Li, L. Lv, X. Ao, Y.F. Tian, Y. Zhang*, J.J. Jiang,C.D. Wang*,“Cuju”-Structured Iron Diselenide-Derived Oxide: A Highly Efficient Electrocatalyst for Water Oxidation,ACS Appl. Mater. Interf., 2017, 9, 40351-40359.

7. J.-Y. Zhang, L. Lv, Y.F. Tian, Z.S. Li, X. Ao, Y.C. Lan, J.J. Jiang*,C.D. Wang*, Rational Design of Cobalt-Iron Selenides for Highly Efficient Electrochemical Water Oxidation,ACS Appl. Mater. Interf., 2017, 9, 33833-33840.

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熊宇杰,中国科学技术大学教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习,2000年获得化学物理学士学位,2004年获得无机化学博士学位。2004-2007年在美国华盛顿大学(西雅图)进行博士后研究,2007-2009年在美国伊利诺伊大学香槟分校任助理研究员,2009-2011年在美国华盛顿大学圣路易斯分校任国家纳米技术基础设施组织首席研究员。2011年回到中国科学技术大学工作,2017年入选英国皇家化学会会士和获得国家杰出青年科学基金资助,2019年入选国家万人计划科技创新领军人才。主要研究方向是基于无机固体材料结构的原子精度控制,实现关键小分子的活化与调控,用于催化能源分子转化和化学品合成。已在Science等国际刊物上发表170余篇论文,总引用17,000余次(H指数62),入选科睿唯安全球高被引科学家榜单(2018)和爱思唯尔中国高被引学者榜单(2014-2018)。

熊宇杰课题组主页:

http://staff.ustc.edu.cn/~yjxiong/chinese.html

近期电催化方向代表性工作

Li, Y.; Chen, S.; Xi, D.; Bo, Y.; Long, R.; Wang, C.; Song, L. andXiong, Y.*, Scalable Fabrication of Highly Active and Durable Membrane Electrodes toward Water Oxidation,Small14, 1702109 (2018).

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