长春应化所张新波研究员团队：可持续氢能转换：电催化剂的配位及结构调控

近日，长春应化所张新波研究员团队的AMR述评文章“Coordination and Architecture Regulation of Electrocatalysts for Sustainable Hydrogen Energy Conversion”在线发表。文章总结了制氢、储氢和用氢技术中的催化剂设计原则，主要讨论了催化中心的配位和几何结构调控策略，以及近期在氢能转换领域的研究进展，并针对该领域面临的挑战提出了展望。

关键词：氢能，氨，电催化剂，配位调控，多孔结构构筑

调控催化中心的配位环境和催化剂几何结构，可调节反应物/关键中间体的加/脱氢过程，有效促进电催化反应，从而提升氢能转换效率。

1 文章内容简介

随着人们对能源和环境危机的日益关注，氢，具有高能量密度和清洁的优势，被广泛认为是理想能源载体，有助于调整当前化石燃料为主的能源结构。在此背景下，人们开始广泛研究与可再生能源相结合的可持续发展的制氢、储氢和用氢技术。电解池和燃料电池实现制氢和用氢的关键技术，其中涉及多个电化学反应，如制氢过程（氢析出、氧析出反应），用于储氢载体合成（电催化氮气、硝酸盐和二氧化碳还原为氨和甲酸反应），以及用氢过程的氧还原反应。然而，缓慢的电化学反应动力学造成氢电转换的效率低，无法满足当前的应用要求。因此，亟需开发具有高活性、高选择性和高耐久性的电催化剂。基于此，人们开发了各种策略提高催化剂性能，比如通过调控催化中心配位或结构等优化催化剂的本征活性和传质效率。此外，表征技术和理论模拟的飞速发展也为电催化位点和反应机理的深入研究提供了契机，指导功能导向的催化剂设计。

该工作总结了本课题组近年来通过调控催化中心的配位环境和构建多孔几何结构，从而来实现高效电化学氢能转换的研究工作。首先概述了氢电转换过程以及相关电化学反应中存在的优势和挑战。其次，介绍了优化配位和几何结构的有效策略，如调控粒径、价态和晶面、缺陷工程、引入衬底、表面重构等。此外，讨论了通过实验表征和理论计算，阐述了对提高催化性能的机理研究工作。最后，提出了针对开发合理的催化剂提高氢电转化效率所面临的挑战的发展方向。

2 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

发展氢能是实现可再生能源规模化利用的关键，是我国的战略需求，该领域目前受到全球广泛的关注。研究团队聚焦氢能技术中的挑战，旨在通过构筑高效催化材料，加速关键电化学反应，提高氢电转换效率，同时利用先进表征技术加强对电化学反应过程的理解，希望在新能源领域贡献我们的力量。

3 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

我们期待该领域未来能够吸引和培养更多专业的人才，发展先进的表征手段，从更深层次的角度理解催化反应以及催化剂结构与性能的构效关系，实现材料创新、器件的迭代，推动氢能广泛应用。

4 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：

氢能技术领域现如今已取得很多突破性进展，但仍面临大量未解决的问题。（1）反应机理的认识不足：理论计算及原位表征技术的发展有利于深入探究电化学反应增强机制。在复杂的工况条件下，现有的原位表征技术对真实工作条件下燃料电池及电解槽中的研究受限；（2）实验室规模与工业规模应用上的差异较大：催化材料在实验室环境中的稳定性评估与工业上使用寿命的要求存在差距，因此需要对催化材料的性能衰退原因进行更深入的研究。（3）膜电极技术和电堆开发技术的发展是实现氢能技术规模利用的关键。

作者团队简介

张新波（本文通讯作者），中国科学院长春应用化学研究所研究员，稀土资源利用国家重点实验室主任，博导，国家杰出青年基金获得者。2010年加入中国科学院长春应用化学研究所，主要研究方向为燃料电池和新型电池（尤其是锂空气电池）的能量存储和转换无机功能材料，相关研究成果已在Nat. Chem.、Nat. Synth.、Nat. Energy、Chem、Joule、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文200余篇，他引32031次，论文引用H因子为99。

钟海霞（本文通讯作者），中国科学院长春应用化学研究所研究员，博导，国家级青年人才。2017年在中国科学院大学获博士学位，2022年加入中国科学院长春应用化学研究所，主要研究方向为高效电化学储能和转化的催化材料，如水、氮气、氧气、二氧化碳的电催化还原/氧化，以及高温固体氧化物电解槽和燃料电池的开发，相关研究成果已在Nat. Synth.、Chem、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇，他引8900次，论文引用H因子为36。

石苗苗（本文第一作者），吉林大学博士后，2021年在吉林大学材料科学与工程学院获博士学位，主要研究方向为温和条件下合成氨催化材料的设计制备。

鲍迪，中国科学院长春应用化学研究所副研究员，2015年在哈尔滨工程大学获博士学位，现主要研究方向为氨氢转换、高温电化学和能量转换器件。

鄢俊敏，吉林大学材料科学与工程学院教授，博导，国家杰出青年基金获得者，主要研究方向为开发用于可再生能源储存与转换应用的新型功能材料。

扫码阅读张新波研究员团队的精彩Account文章：

Coordination and Architecture Regulation of Electrocatalysts for Sustainable Hydrogen Energy Conversion

Miao-miao Shi, Di Bao, Jun-min Yan, Hai-xia Zhong*, and Xin-bo Zhang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00197

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