Defect engineering in the carbon-based electrocatalysts: Insight into the intrinsic carbon defects. Advanced Functional Materials
MaterialsViews 2020-4-22
碳基納米材料被認為是Pt等貴金屬催化劑的理想替代品，已被廣泛應用于電化學反應中。由于其結構組成的易調控性，可通過各種手段提高碳基框架的活性位密度，優化關鍵中間體的吸附活化過程，從而顯著降低電催化反應的過電勢。近年來，缺陷工程已成為提升碳基電催化劑性能的重要策略。碳材料的缺陷主要包括本征缺陷與非本征缺陷。非本征缺陷源于異質原子的摻雜，而本征缺陷是指純碳網絡中存在的缺陷物種，主要包括邊緣、空位、孔洞及拓撲結構缺陷等。由于本征缺陷在碳基框架中必然存在，并且能夠有效誘導碳基的局域電荷密度重排，使原本非活性的碳原子轉換為高活性中心直接參與反應，因而其電催化活性貢獻不容忽視。
武漢理工大學木士春教授團隊基于近期相關研究工作及已有文獻報道，對本征碳缺陷電催化應用的最新進展進行了系統評述。他們首先簡要概述了納米催化劑缺陷工程的含義，即包括缺陷的定向構筑、缺陷幾何構型及濃度的表征、缺陷基催化劑的活性評估、缺陷位點的電子結構和催化作用機制，以及缺陷基催化劑的規模化制備等方面。繼而從本征缺陷的幾何構型出發，詳細論述了不同本征碳缺陷位點的構筑策略及催化應用，從理論模擬與實驗驗證的角度對富含本征缺陷的碳基電催化劑的反應機制進行分析。緊接著，他們介紹了本征碳缺陷與雜原子點缺陷對碳位點電子結構的協同優化效應，以及本征碳缺陷對高活性金屬單原子的捕獲效應。此外，還系統總結了目前應用于本征缺陷位點物性表征的手段，包括對其幾何構型的可視化觀測技術，以及對其缺陷濃度信息、表面電子態的光譜學表征技術，為缺陷催化的研究提供技術指南。最后，簡要評述了本征碳缺陷參與的活性位點的構效關系，并就目前面臨的挑戰對缺陷電催化領域的未來發展進行了全面的展望。
該綜述從缺陷工程的角度探討了本征碳缺陷作為電催化活性中心的研究進展，對其構筑策略、表征手段、構效關系及催化機制進行系統闡釋，為未來缺陷基電催化劑的研發與應用提供必要的理論依據和技術指導。相關論文以Defect Engineering in the Carbon-Based Electrocatalysts: Insight into the Intrinsic Carbon Defects為題目在線發表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001097)上，博士研究生朱加偉為第一作者，武漢理工大學木士春教授為通訊作者。