四川大学李盼盼课题组 Small：水凝胶衍生电催化剂在能源和环境中的应用

2024-09-20 来源：高分子科技

随着工业化和城市化进程的加快，能源危机和环境污染问题日益严峻。电催化技术凭借其环保和高效的特点，在能源转换和环境保护领域应用广泛。然而，传统电催化剂存在选择性、活性和耐用性等方面的局限性。水凝胶作为一种新型材料，具有分级多孔结构、组成和结构的可调性和易于功能化等优点，为高性能电催化剂的开发提供了新的思路。

近年来，四川大学李盼盼研究员课题组致力于水凝胶衍生电催化剂的开发与应用（Proc. Natl. Acad. Sci. 2023, 120, e2305489120.; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 6471.; Appl. Catal. B: Environ. 2023, 331, 122677.; Energy Environ. Sci.; 2021, 14, 3522; ACS Catal. 2023, 13, 49., Materials Today 2020, 35, 78.）。基于之前的研究基础，近期，该团队在《Small》上发表了题为“ Conductive Polymer Hydrogel-Derived Three-Dimensional Nanostructures for Energy and Environmental Electrocatalysis”的综述性学术论文。文章从制备和改性策略，先进应用，关键前景等方面对导电聚合物衍生的电催化剂在能源和环境方向进行了详细的讨论（图1）。该工作得到得到了中国国家自然科学基金（22476141、52202372 和 22304021）、四川省科技计划（2023NSFSC0089）以及中央高校基本科研业务费（20826041H4212）的支持。

图1 导电聚合物水凝胶在能源和环境电催化中的示意图

本文首先介绍了制备和改性导电水凝胶的策略。导电聚合物水凝胶结合了导电聚合物的导电性和水凝胶的柔韧性与生物相容性。其制备方法多样，包括自由基聚合、溶胶-凝胶法、水热反应和模板法等（图2）。接着，强调了先进表征技术在调节导电聚合物水凝胶衍生催化剂性能中的重要性。例如密度泛函理论（DFT），表面探测扫描电化学显微镜（SI-SECM）、X射线吸收近边结构（XANES）和球差校正透射电子显微镜（AC-TEM），原位傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和原位拉曼光谱等。通过采用这些技术，提供了增强这些催化剂性能和效率的策略。此外，详细总结了导电聚合物水凝胶衍生的三维纳米结构在环境电催化和能源转换中的应用。包括硝酸根还原（NitRR）、氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原（CO₂RR）等（图3-5）。最后，讨论了与水凝胶衍生电催化剂相关的未来潜力和挑战，包括从高通量制备，高时空分辨表征技术到多场耦合应用，与此同时强调了这一领域正在进行的研究对于应对能源和环境挑战的重要性（图6）。

图2 导电聚合物水凝胶制备方法 a)自由基聚合 b)溶胶-凝胶法 c)模板法

图3 导电聚合物水凝胶衍生的催化剂在硝酸根还原的应用

图4 导电聚合物水凝胶衍生的催化剂在氧还原的应用

图5 导电聚合物水凝胶衍生的催化剂在二氧化碳还原的应用

图6 导电聚合物水凝胶衍生的关键发展和发展前景

文章全面总结了影响电催化剂活性和选择性的关键调控策略，包括活性位点的密集度、配位环境的精细调控、掺杂原子的种类与浓度，以及纳米簇的尺寸。重点聚焦于导电聚合物水凝胶衍生电催化剂在环境净化和能源转换领域的最新突破。这类水凝胶电催化剂因其易于功能化、拥有大比表面积、多级多孔结构和卓越的稳定性而备受瞩目，促进了质量传递，增加了活性位点，从而显著提升了电催化性能。这些优点有效应对能源和环境电催化领域的一系列挑战，为开发更稳定、更高效且成本更低的电催化剂提供了新思路。总而言之，该文章不仅为读者呈现了电催化技术的最新进展，而且激发了未来在追求可持续能源和环境解决方案方面的研究热情，为相关领域的科研工作指明了方向。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202406235

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（责任编辑：xu）

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