Electrochemical synthesis of catalytic materials for energy catalysis  

能源催化材料的电化学合成

作　　者：Dunfeng Gao Hefei Li Pengfei Wei Yi Wang Guoxiong Wang Xinhe Bao 高敦峰;李合肥;魏鹏飞;王毅;汪国雄;包信和(中国科学院大连化学物理研究所,洁净能源国家实验室(筹),催化国家重点实验室,辽宁大连116023;中国科学院大学,北京100049)

机构地区：[1]State Key Laboratory of Catalysis,Dalian National Laboratory for Clean Energy,Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023,Liaoning,China [2]University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2022年第4期1001-1016,共16页催化学报（英文）

基　　金：国家重点研发计划(2016YFB0600901);国家自然科学基金(22002155,92045302);中科院洁净能源创新研究院合作基金(DNL180404,DNL201924);中国科学院战略性先导专项(XDB17020200);中科院青年创新促进会(Y201938);辽宁省自然科学基金(2021-MS-022);大连市高层次人才创新支持计划(2020RQ038).

摘　　要：Electrocatalysis is a process dealing with electrochemical reactions in the interconversion of chemical energy and electrical energy.Precise synthesis of catalytically active nanostructures is one of the key challenges that hinder the practical application of many important energy‐related electrocatalytic reactions.Compared with conventional wet‐chemical,solid‐state and vapor deposition synthesis,electrochemical synthesis is a simple,fast,cost‐effective and precisely controllable method for the preparation of highly efficient catalytic materials.In this review,we summarize recent progress in the electrochemical synthesis of catalytic materials such as single atoms,spherical and shaped nanoparticles,nanosheets,nanowires,core‐shell nanostructures,layered nanomaterials,dendritic nanostructures,hierarchically porous nanostructures as well as composite nanostructures.Fundamental aspects of electrochemical synthesis and several main electrochemical synthesis methods are discussed.Structure‐performance correlations between electrochemically synthesized catalysts and their unique electrocatalytic properties are exemplified using selected examples.We offer the reader with a basic guide to the synthesis of highly efficient catalysts using electrochemical methods,and we propose some research challenges and future opportunities in this field.电催化是发展可持续洁净能源技术的基础科学,是电化学能源转换和物质转化的关键环节.精准合成催化活性纳米结构是制约很多电催化反应走向实际应用的重要挑战.与湿化学合成、固相合成和气相沉积等传统方法相比,电化学合成是一种简单、快速、廉价及可控的高效催化材料制备方法,也是一种最为直接的一体化电极制备方法.本文综述了近年来利用电化学合成方法制备高效能源催化材料的研究进展.首先,简要介绍了电沉积、阴极腐蚀、电化学去合金化、电化学置换、电化学剥离和电化学修饰等几种主要电化学合成方法的基本原理,并讨论了电化学合成中电势、电流和电解质组成等关键合成参数的影响.然后,重点讨论了电化学合成的催化材料在燃料电池、电解水、二氧化碳/一氧化碳电还原、电化学合成氨、有机分子电化学转化等重要电催化反应中的应用.这些催化材料按照形貌可分为单原子催化剂、球形纳米粒子、形貌可控的纳米粒子、二维层状/片状纳米材料和三维纳米结构等.电化学合成在制备结构明确的单原子催化剂上具有其它合成方法不可比拟的优势.与胶体化学方法相比,电化学合成的尺寸和形貌可控的纳米粒子具有表面清洁、无表面附着的有机配体以及不需要焙烧等催化剂预处理的特点.除形貌外,电化学合成还可以制备在原子尺度上具有特定几何和电子结构的催化活性纳米结构.电化学方法也是催化剂修饰和再生的一种重要途径,结合特定的电化学程序,可在连续操作条件下实现催化材料的原位再生.通过讨论代表性的催化剂案例,分析这些催化剂在电催化应用中的构效关系,阐明了电化学合成方法在催化剂理性设计和制备中的独特优势.最后,总结了当前电化学合成催化材料方面存在的问题和研究挑战,并展望了未来的发展方向.电化

关 键 词：Catalytic material Electrochemical synthesis Electrocatalytic reaction ELECTRODEPOSITION Cathodic corrosion NANOSTRUCTURE 

分 类 号：TQ426[化学工程]