黑龙江大学付宏刚教授团队AMR：面向电催化分解水应用的过渡金属间隙化合物——结构工程和电子调控

研之成理

近日，黑龙江大学付宏刚教授团队的AMR述评文章“Structure Engineering and Electronic Modulation of Transition Metal Interstitial Compounds for Electrocatalytic Water Splitting”在线发表。文章重点讨论了过渡金属间隙化合物在电催化分解水领域的最新研究进展，总结了包括尺寸控制、形貌工程、杂原子掺杂、异质结构建等一系列性能调控策略，并初步探讨了基于水循环的配对电催化体系；最后，文章对该领域面临的挑战和未来发展方向进行了总结与展望。

关键词：过渡金属间隙化合物；多酸；结构设计；电子调控；电催化分解水

基于基团相互作用组装多酸簇母体的新策略，团队发展了钼（钨/钒）基过渡金属间隙化合物尺寸控制、形貌调控、杂原子掺杂、异质结构建的有效方法，显著提高了材料的电催化分解水性能。

文章内容简介

为了减少化石燃料消耗和实现“零碳”目标，开发绿色清洁可再生的氢能迫在眉睫。以可再生能源为动力的水电解被认为是最环保的制氢技术，迫切需要开发成本低廉、高效耐用的电催化剂。过渡金属间隙化合物具有类Pt催化活性、高导电性和良好的稳定性等优势，能够应对碱性电解水的低效率和酸性电解水的强酸腐蚀等难题，有望替代贵金属催化剂，因而受到了广泛的关注。针对过渡金属间隙化合物的颗粒尺寸大、离子动力学迟缓等影响催化性能发挥的问题，在本篇述评文章中，我们系统地总结了过渡金属间隙化合物的可控合成和性能提升策略。全面探讨了利用多金属氧酸盐团簇作为金属前体，通过基于基团相互作用的组装-锚定策略实现对过渡金属间隙化合物的尺寸控制，从而提高了质量活性；进一步提出形貌工程、杂原子掺杂、异质结构建等提升性能的策略，探究了利用前后过渡金属之间的“d-电子互补”效应优化对活性物种的结合强度，提高本征活性的方法。我们初步优化了催化系统，充分利用电解水中的氢和氧活性物种，实现了与有机反应配对的电催化，在生产增值化学品的同时降低了能耗，从而提高“电力价值”。最后，我们还展望了过渡金属间隙化合物在电催化能源转化领域的挑战和潜在的研究方向，希望能为将来的研究提供有益的启发，促进该领域的发展和推动工业化进程。

AMR：您对这个领域的发展有何种愿景？

作者团队：

我们科研工作者要做一些“顶天立地”的工作。虽然在工业应用方面，我们还有一段艰难的路要走，比如酸性体系下，如何降低贵金属用量，同时保证良好的耐久性和稳定性。在这些方面，过渡金属间隙化合物给了我们很大的希望。我们前期的工作也证明了过渡金属间隙化合物在酸性分解水中的巨大潜力。针对碱性体系高能耗的问题，我们利用水中的氢氧活性物种催化有机反应生产高附加值的化学品是一个很好的选择，可以提升电能的利用效率。特别是未来建立由分布式能源站驱动的电化学工厂，将间歇性可再生能源（如太阳能、风能等）产生的低压电驱动这种耦合体系生成高价值化学品，应用前景广阔，有助于实现碳中和目标。

AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现

的研究机会!

作者团队：

在基础研究方面，催化剂的精准结构分析和构效关系需要投入更大的关注，特别是工况下催化剂的实时状态和结构演变分析值得深入的研究。在这方面，我们课题组结合DFT计算和Operando-XAFS，揭示了金属-氮-碳体系催化ORR/OER的催化机制，认识到结合先进的表征技术和理论分析是识别催化机制的有力工具。另外，设计合成多金属掺杂/多组分的过渡金属元素间隙化合物应该是该领域的下一个生长点，特别是探究不同元素在催化过程中的真实角色以及对不同元素搭配调控性能机制的认识是十分重要的。

AMR：该领域当前最值得关注的热点是？

作者团队：

在电解水制氢的生产费用构成中，电费占最大的比例（达到80%）。如果是将可再生能源产生的低压电并网后再用来电解水的话，并网过程的能量损耗非常大，是不具竞争力的。未来，应建设分布式能源站驱动的电化学工厂，降低电力成本，并着重开发可直接与可再生能源耦合的电催化体系，围绕这个思路开展酸性体系电解水，碱性体系下与有机反应耦合生成高价值化学品的反应，提高能量转换效率，进一步降低制氢成本，同时要特别关注在工况条件下催化剂的稳定性。我们认为这些是该领域的研究热点和难点，是当前最值得关注的热点。

作者团队简介

●焦艳清副教授，黑龙江大学硕士生导师，分别于2010和2015年在东北师范大学获得学士和博士学位。主要从事多酸基及多酸衍生材料的构筑及其在光/电催化领域的应用研究，先后主持国家自然科学基金青年项目、黑龙江省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目等10余项，并参与国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目等多项国家级项目。在Small、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sci. China Mater.、Mater. Chem. Front.等国内外刊物上发表论文30余篇，获得黑龙江省科学技术奖二等奖1项，获授权发明专利4项。

●田春贵教授，黑龙江省龙江学者特聘教授，中国化学会青年化学工作者委员会委员，Chinese Chemical Letters编委，《应用化学》青年编委。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy. Environ. Sci.、Nano Energy、ACS. Catal.等期刊发表研究论文200余篇，其中19篇入选ESI Top 1% 高被引论文，2篇入选ESI Top 0.1% 热点引论文。论文被引用16000余次，H因子65。连续两年入选科睿唯安全球高被引科学家。获省科学技术奖一等奖1项。

● 付宏刚教授，黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室主任。曾入选教育部长江学者奖励计划特聘教授，新世纪百千万人才工程国家级人选。教育部科技委员会化学化工学部委员（两届），英国皇家化学会会士，RSC重要期刊EES Catalysis副主编，连续5年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光催化和电催化领域的材料设计合成、结构调控，在材料尺寸，晶相，缺陷的选择性控制合成及其在光催化、电催化制氢，有机物合成以及ORR，OER等催化反应过程中的活性和稳定性，反应机制等方面开展工作。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表研究论文380余篇，被他人引用27000余次，H因子88，有50余篇论文进入ESI高被引用论文的Top 1%，5篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。获省科学技术奖一等奖3项，获授权发明专利30余项（含美国、日本、韩国发明专利各1项）。

课题组主页：http://fuhonggang.cn/index.html

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Structure Engineering and Electronic Modulation of Transition Metal Interstitial Compounds for Electrocatalytic Water Splitting

Yan-Qing Jiao, Hai-Jing Yan, Chun-Gui Tian*, and Hong-Gang Fu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00188

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