Chem. Soc. Rev.: 润湿调节气体参与的(光)电催化:能量转换中的仿生学
雨辰 雨辰 2021-08-10

将水或含有水的气体(光)电解成作为工业原料和能源载体的物质,如氢、氨、乙烯、丙醇等,引起了极大的关注。此外,这些过程通常可以在环境条件下由可再生能源驱动,作为传统高温高压合成方法的可持续替代方案。除了对催化剂开发的广泛研究外,越来越多的关注在涉及气体的(光)电催化反应过程中调节气体传输/扩散行为,以期创造具有高反应速率、优良的长期稳定性的工业上可行的催化体系。具有特殊润湿能力和结构优势的仿生表面和系统可以为(光)电极的未来设计提供思路,并解决长期存在的挑战。

有鉴于此,南洋理工大学Rong Xu教授等人,综述了近年来润湿调控气体(光)电催化的研究进展。首先介绍了仿生(超)润湿性的基本原理和(光)电极设计的潜力。 然后,讨论了气泡在光滑介质和多孔介质中的粘附和输运行为。随后,总结了提高(光)电极催化性能的设计策略。

本文要点

1首先介绍了各种空气/水下润湿状态的基本原理及其相应的仿生结构特性。还讨论了气泡传输行为、润湿性和孔隙率/弯曲度之间的关系。其次,总结出了与润湿相关的设计原则在析气反应(即析氢反应和析氧反应)和耗气反应(即氧还原反应和CO2还原反应)中的最新实现。对于光电极设计,还考虑了其他因素,例如光吸收以及光生电子和空穴的分离、传输和复合。分析了(光)电极的润湿性和 3D 结构对催化活性、稳定性和选择性的影响,以揭示其潜在机制。最后,提出了存在的问题和相关的未来展望。

2近年来,新兴的宏观模型制造技术,如3D打印(即增材制造),已经扩展到金属和金属氧化物等材料。增材制造的成熟可能会导致可打印材料的发展,包括(光)电极。使用精确的激光烧蚀还可以实现表面化学图案化,从而实现直接润湿性控制。随着这些制造方法(3D 打印、数控铣削和激光烧蚀)的快速进步和广泛应用,预计它们最终将用于开发高精度的模型架构,以操纵气泡传输、气体扩散和光收集行为。无论涉及的精度和可扩展性如何,有效控制和使用(超)润湿性来提高电催化效率(选择性、极限电流密度等)可能会刺激未来电极的发展。

参考文献:

Guanyu Liu et al. Wetting-regulated gas-involving (photo)electrocatalysis: biomimetics in energy conversion. Chem. Soc. Rev., 2021.

DOI: 10.1039/D1CS00258A

https://doi.org/10.1039/D1CS00258A


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催化;燃料电池;多孔炭材料;炭气凝胶;隔热

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