DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63945-1近日，《催化学报》在线发表了吉林大学管景奇副教授团队在电催化领域的综述文章。该工作主要讨论了缺陷的基本原理，缺陷位的构建方法，不同类型缺陷位对析氢反应性能的影响，缺陷位上析氢反应机制以及提出了对二维材料缺陷的优化策略。论文第一作者为：唐甜蜜，论文共同通讯作者为：王振旅教授和管景奇副教授。面对化石燃料的消耗和环境恶化，寻找无污染、可持续的能源成为迫切问题，氢能源清洁、丰富、可再生、环保，在未来有望替代化石燃料。在制备氢能源中，条件相对温和的电催化成为近年来人们研究的热点，大多数析氢反应催化剂为贵金属或贵金属氧化物，价格高昂和稀缺性限制了它们的大规模应用。自从2004年，具有较大比表面积、力学性能和导电性的石墨烯被成功剥离后，二维材料不断的被制备出来，并广泛应用于电催化领域。尽管二维材料具有不错的电催化性能，但在析氢反应（HER）中原始二维材料的催化性能很差，大量的研究表明缺陷工程在调节二维材料的电化学活性方面起着重要作用，缺陷位不仅调节了电子结构，还增加了有效活性位点的比例，提高对HER的催化活性。在本文中，我们介绍了如何在二维材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷、MXene）中构建各种缺陷位增强HER催化性能，并提出了二维材料缺陷目前面临的问题和挑战，展望了缺陷二维材料在电催化析氢反应中的未来发展趋势。基于目前研究成果讨论了缺陷结构与催化剂性能之间的关系，为合理构建高性能的析氢催化剂提供了有益见解。通过在不同位点构建缺陷位，调节局部电子结构形成不饱和配位态，达到优化氢吸附/解离能的目的。原始二维材料在析氢反应中的催化性能很差，而利用二维材料优异的比表面和导电性特点，借助缺陷工程调节二维材料的电子结构，增加了有效活性中心的比例，可以提高对HER的催化活性。▲图1. (A)等离子体刻蚀石墨烯合成示意图。(B)设备结构。(C)Co/MoS2-x合成过程示意图。(D)形成能与空位数的关系。(E)交换电流密度i0的火山曲线与ΔGH*的函数。(F)空位和边缘图。(G)电流(log(i0))和ΔGH*之间的关系。(1) 该图主要展现本综述的主要内容包括缺陷位的构建方法、缺陷位的结构、不同缺陷构型与形成能之间的关系以及不同吸附位上的氢吸附吉布斯自由能。
(2) 利用缺陷工程对二维材料固有的化学性质进行设计以提高析氢反应活性。缺陷工程可以在二维材料中创建大量的边缘和孔，并且在基底结构中创建空位进而产生了大量的活性位点。缺陷位点的构建方法包括边缘缺陷、空位缺陷和掺杂衍生缺陷。▲图2. (A)转换过程示意图。(B-D)和(E-G)扫描电镜图，分别为780℃和880℃转移前后。(H)树杈形单层MoS2薄片边缘作为HER活性位点的示意图。(I-J) MoO2、(K-L) MoS2、(M-N) MoS2/MoO2的氢吸附优化表面模型(俯视图和侧视图)。(O) H吸附的ΔGH*。(P)不同电流密度下的LSV曲线和(Q)过电位。(R)塔菲尔斜率。(S)奈奎斯特图。(1) MoS2的原始基面具有化学活性，而MoS2的边缘位点具有较高的催化活性。然而，由于基表面的热力学倾向，表面上的活性中心数量有限。为提高催化剂的活性可通过设计不同形状结构的催化剂，增加边缘位，进而增加有效活性位点密度。(2) 提高催化剂的活性可以通过提高导电性、增加有效活性位点密度和改善传质，降低氢吸附自由能。1. 本文介绍了二维材料的基本原理和结构中缺陷位的构建，并介绍了利用不同方法优化HER催化活性在边缘和基底上的缺陷位。缺陷位可以调节电子构型，导电性进而调节催化HER的活性。2. 不同种类的缺陷对材料的局部电子结构有不同的调节作用。然而，在缺陷材料的表征技术和催化机理等方面仍存在一些问题，以进一步研究反应中间体中缺陷结构的实际演化过程和动态演化过程。3. 在未来需要利用先进的合成方法(如化学气相沉积、水相合成等)，通过对缺陷的精确调制，生产出低成本、高质量的先进2D电催化剂，取代稀有、昂贵的贵金属催化剂。管景奇，吉林大学化学学院副教授、博士生导师，从事纳米簇-单原子材料合成及电催化能源转化与储存研究。2012-2013年和2014-2018年分别在加州大学伯克利分校和中科院大连化学物理研究所从事博士后研究。迄今为止共发表SCI论文160余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nat. Catal.， Adv. Funct. Mater.， Chem. Sci.， ACS Catal.， Appl. Catal. B， Coord. Chem. Rev. 等期刊上共发表相关SCI论文130余篇和2个学术专著章节。
https://teachers.jlu.edu.cn/Guan_Jingqi/zh_CN/index.htmTianmi Tang, Zhenlu Wang *, Jingqi Guan *, Chin. J. Catal., 2022, 43: 636–678 (点击链接到Elsevier网站，下载全文）Chinese Journal of Catalysis（《催化学报》，月刊，英文刊）创刊于1980年，是中国化学会催化学会会刊，由中国科学院大连化学物理研究所和中国化学会共同主办，电子版在Elsevier平台出版，发表催化领域各主要研究方向的最新研究成果，现任共同主编为李灿院士和张涛院士。期刊SCI影响因子为8.271，位居中科院期刊分区化学大类一区，连续10年被评为“中国最具国际影响力学术期刊”，并获得中国科技期刊卓越行动计划重点期刊类项目资助。
国内网站：www.cjcatal.com (创刊以来所有文章可免费下载）https://mc03.manuscriptcentral.com/cjcatal
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