電催化材料分類匯總

  電催化研究內容多樣，主要包括電解水中的析氫(HER)、析氧反應(OER)，燃料電池中重要的半反應氧還原反應(ORR)以及電催化二氧化碳還原反應。無論應用的領域是哪種電催化反應，電催化研究的任務就是設計并制備出對特定反應具有高活性、高選擇性和長壽命的電催化劑。經(jīng)過多年發(fā)展，目前常用的電催化劑主要分為貴金屬、過渡金屬和非金屬催化劑。

  一、貴金屬電催化劑

  貴金屬催化劑主要包括Pt、Ir、Pd、Ru和Rh等。Pt 單質表現(xiàn)出的HER性能，Pt的氫吸附中間體的自由能基本上接近理想數(shù)值零，因此催化活性高，工業(yè)電解水多以Pt/C為析氫催化劑，很多研究的HER催化劑也和Pt/C的性能進行對比。IrO2和RuO2是商業(yè)應用的OER催化劑，也是眾多研究中比對的基準。

  雖然貴金屬催化劑有很多優(yōu)點，但是在應用時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如價格昂貴，制備成本高。此外貴金屬容易聚集而失去活性，且聚集的顆粒不能暴露活性位點，導致催化活性和穩(wěn)定性降低。研究人員為了解決這些問題，目前主要通過減少貴金屬催化劑的負載量以降低催化劑成本，同時引入其它基質，提高貴金屬催化劑的分散性。

  二、過渡金屬

  過渡金屬催化劑包括過渡金屬氫氧化物、氧化物、硫化物、磷化物以及合金。鉬是一種用于NRR的過渡金屬，一些基于鉬的分子配合物已被開發(fā)用于電催化合成氨，如氧化鉬、氮化鉬、碳化鉬和硫化鉬都可用于NRR反應。MoS2的邊緣是電催化反應的活性位點，可用于電催化NRR。此外，MXenes材料具有良好的機械性能和大的比表面積，其導電性和基面上豐富的活性位點在電催化發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。MXene材料已被證明可以用于電催化HER/OER/ORR反應。

  三、非金屬催化劑

  非金屬催化劑主要包括碳基催化劑以及一些硼基和磷基催化劑。通常，碳基催化劑具有多孔結構和較大的表面積，有利于暴露更多的活性位點，并為質子和電子的傳遞提供了豐富的通道。氧化石墨烯表面和邊緣的各類含氧官能團以及一些缺陷，使其具有不同的電學性質和催化活性，研究人員利用各類化學改性及化學成鍵的方式把其他有益的成分修飾在GO的表面官能團上，制備出新型電催化劑。研究人員以石墨炔為基底，進行單個硼、氮原子摻雜后發(fā)現(xiàn)其可以將CO2還原為乙烯。少層黑磷納米片由于具有較多活性位點和較弱的HER，使其對NRR具有較好的活性和選擇性。

  在以上3類電催化劑中，二維薄納米片結構材料在催化領域的應用，高比表面積、大量暴露的活性位點、無堆疊的結構特點使其具有催化優(yōu)勢，以二維材料為基底的二維單原子催化劑也已經(jīng)成為電催化的研究熱點。