催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 2802-2814.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)64022-6

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新兴的二维金属烯: 结构调控和电催化应用进展

武建栋, 赵晓*(), 崔小强#(), 郑伟涛$()   

  1. 吉林大学材料科学与工程学院, 汽车仿真与控制国家重点实验室, 汽车材料教育部重点实验室, 吉林长春 130012
  • 收稿日期:2022-03-04 接受日期:2022-05-09 出版日期:2022-11-18 发布日期:2022-10-20
  • 通讯作者: 赵晓,崔小强,郑伟涛
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(51872116);国家自然科学基金(12034002);吉林省开发改革委员会自主创新建设项目(2021C026);吉林大学科技创新研究团队项目(JLUSTIRT);吉林大学科技创新研究团队项目(2017TD-09);吉林省科技开发计划(20190201233JC);中央高校基本研究经费

Emerging two-dimensional metallenes: Recent advances in structural regulations and electrocatalytic applications

Jiandong Wu, Xiao Zhao*(), Xiaoqiang Cui#(), Weitao Zheng$()   

  1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Key Laboratory of Automobile Materials of MOE, School of Materials Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China
  • Received:2022-03-04 Accepted:2022-05-09 Online:2022-11-18 Published:2022-10-20
  • Contact: Xiao Zhao, Xiaoqiang Cui, Weitao Zheng
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(51872116);National Natural Science Foundation of China(12034002);Project for Self-innovation Capability Construction of Jilin Province Development and Reform Commission(2021C026);Program for JLU Science and Technology Innovative Research Team(JLUSTIRT);Program for JLU Science and Technology Innovative Research Team(2017TD-09);Jilin Province Science and Technology Development Program(20190201233JC);Fundamental Research Funds for the Central Universities, JLU

摘要:

得益于超高的比表面积、高密度的表面活性原子和高度可调的微观结构, 二维材料受到研究者的广泛关注. 金属烯作为一种简化的、定义明确的模型体系, 可以作为良好的载体固定单原子或金属纳米颗粒以获得高效的催化剂. 其中, 二维金属烯具有类石墨烯结构, 是厚度小于5 nm的二维金属基纳米材料, 已经在多种电化学反应中表现出较好的电催化性能.

本文综述了金属烯在结构调控方面的最新进展, 包括缺缺陷工程、相工程、应变工程、界面工程、掺杂和合金工程策略. (1)缺陷工程: 缺陷的存在往往能调控材料的电子结构和配位状态, 进而改善其催化活性, 甚至缺陷位可以直接作为活性位来调控反应进程; (2)相工程: 相工程策略包括晶相工程、无定型相工程和异质相工程, 区别于热力学稳定的常规相, 独特的原子排布方式赋予了非常规相较好的催化活性; (3)应变工程: 应变工程不同于配位效应, 它是一种长程作用, 可大幅度提升材料的性能; (4)界面工程: 界面是两种或多种物相的交界, 通过各物种强有力的协同效应实现超高的活性; (5)掺杂与合金化: 作为一种常规的调控策略, 掺杂与合金化在提升材料性能上仍然发挥着巨大的作用.

各类调控策略的发展, 使得二维金属烯在能源电催化反应中展现出极具前景的应用, 包括氧还原反应、二氧化碳还原反应、氢析出反应和小分子氧化反应. 最后, 本文提出了这一新兴领域的未来挑战和发展方向.

关键词: 金属烯, 超薄纳米片, 结构调控策略, 电催化, 增强机理

Abstract:

Benefiting from the ultrahigh specific surface areas, highly accessible surface atoms, and highly tunable microscopic structures, the two-dimensional metallenes as nanocatalysts have displayed promising performance for various electrocatalytic reactions. Herein, we reviewed recent advances on metallenes in structural regulations including defect, phase, strain, interface, doping, and alloying engineering strategies and their applications in energy electrocatalytic reactions involving oxygen reduction reaction, carbon dioxide reduction reaction, hydrogen evolution reaction, and small molecules oxidation reaction. Finally, we proposed the future challenges and directions in this emerging area.

Key words: Metallenes, Ultrathin nanosheets, Structurally regulating strategy, Electrocatalysis, Enhancement mechanism