催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (4): 511-556.DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63693-2

• 综述 •    下一篇

提升二维材料的电催化析氢和光催化析氢性能的策略

李赛赛a,b, 孙见蕊a,*(), 管景奇b,#()   

  1. a长春工业大学化学与生命科学学院, 吉林长春130012
    b吉林大学化学学院, 吉林省表面与界面化学重点实验室, 吉林长春130021
  • 收稿日期:2020-04-08 接受日期:2020-06-16 出版日期:2021-04-18 发布日期:2021-01-22
  • 通讯作者: 孙见蕊,管景奇
  • 基金资助:
    吉林省自然科学基金(20180101291JC)

Strategies to improve electrocatalytic and photocatalytic performance of two-dimensional materials for hydrogen evolution reaction

Saisai Lia,b, Jianrui Suna,*(), Jingqi Guanb,#()   

  1. aSchool of Chemistry and Life Science, Changchun University of Technology, Changchun 130012, Jilin, China
    bKey Laboratory of Surface and Interface Chemistry of Jilin Province, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130021, Jilin, China
  • Received:2020-04-08 Accepted:2020-06-16 Online:2021-04-18 Published:2021-01-22
  • Contact: Jianrui Sun,Jingqi Guan
  • About author:#E-mail: guanjq@jlu.edu.cn
    *E-mail: goodluck@ccut.edu.cn;
  • Supported by:
    Natural Science Foundation of Jilin Province(20180101291JC)

摘要:

世界能源危机问题和环境问题日益突出, 寻找低廉、易得且能够替代化石的清洁能源是目前研究的热点. 氢气具有可再生性、安全、高能量密度、环境友好型等优点, 因而成为替代化石燃料的首选. 在众多途径中, 电催化产氢和光催化产氢是目前应用较广且比较成熟的方法, 其工艺过程简单、无污染, 但由于效率较低或生产成本较高等因素, 其大规模应用受到一定的限制. 因此, 开发高效的析氢催化剂意义重大. 迄今为止, 贵金属铂是公认的最好的析氢催化剂, 但其稀有性和价格高阻碍了大规模的商业应用. 因此, 寻找高效、稳定、价格合理的析氢催化剂迫在眉睫. 近年来, 已研究和设计了很多析氢催化材料, 其中, 二维材料以其独特的物理化学性质(如电子在二维空间内快速移动、超薄结构、较大的比表面积等)引起了科学家的兴趣. 但实际研究的二维材料的析氢性能与理论值相比还有很大的差距. 因此, 提高二维材料的导电性、增加活性位点、提高光电催化剂的循环稳定性是提升其性能的关键. 本文综述了四种二维材料(二硫化钼、石墨烯、过渡金属碳氮化物、黑磷)在析氢方面的最新研究进展, 包括(1)二维材料的合成方法, (2)二维材料析氢性能, (3)析氢催化机理. 并从三个方面总结了提升二维材料析氢性能的策略: (1)缺陷位工程, (2)异质结策略, (3)金属及非金属杂原子掺杂. 在提高二维材料的策略方面, 本文着重讨论了d带理论、状态密度和费米能级, 为更多二维析氢催化材料的制备提供了有效的指导. 最后, 本文分析了二维催化剂领域目前面临的问题和挑战, 展望了未来的发展趋势.

关键词: 石墨烯, 析氢反应, 二硫化钼, 过渡金属碳氮化物, 黑磷, 二维材料

Abstract:

Two-dimensional materials (2D) with unique physicochemical properties have been widely studied for their use in many applications, including as hydrogen evolution catalysts to improve the efficiency of water splitting. Recently, typical 2D materials MoS2, graphene, MXenes, and black phosphorus have been widely investigated for their application in the hydrogen evolution reaction (HER). In this review, we summarize three efficient strategies—defect engineering, heterostructure formation, and heteroatom doping—for improving the HER performance of 2D catalysts. The d-band theory, density of states, and Fermi energy level are discussed to provide guidance for the design and construction of novel 2D materials. The challenges and prospects of 2D materials in the HER are also considered.

Key words: Graphene, Hydrogen evolution, Molybdenum disulfide, MXenes, Black phosphorus, Two-dimensional material