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四川大學(xué)李盼盼課題組 Small：水凝膠衍生電催化劑在能源和環(huán)境中的應(yīng)用
2024-09-20  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：水凝膠 電催化劑

  隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。電催化技術(shù)憑借其環(huán)保和高效的特點，在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，傳統(tǒng)電催化劑存在選擇性、活性和耐用性等方面的局限性。水凝膠作為一種新型材料，具有分級多孔結(jié)構(gòu)、組成和結(jié)構(gòu)的可調(diào)性和易于功能化等優(yōu)點，為高性能電催化劑的開發(fā)提供了新的思路。


  近年來，四川大學(xué)李盼盼研究員課題組致力于水凝膠衍生電催化劑的開發(fā)與應(yīng)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.）。基于之前的研究基礎(chǔ)，近期，該團(tuán)隊在《Small》上發(fā)表了題為“ Conductive Polymer Hydrogel-Derived Three-Dimensional Nanostructures for Energy and Environmental Electrocatalysis”的綜述性學(xué)術(shù)論文。文章從制備和改性策略，先進(jìn)應(yīng)用，關(guān)鍵前景等方面對導(dǎo)電聚合物衍生的電催化劑在能源和環(huán)境方向進(jìn)行了詳細(xì)的討論（圖1）。該工作得到得到了中國國家自然科學(xué)基金（22476141、52202372 和 22304021）、四川省科技計劃（2023NSFSC0089）以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（20826041H4212）的支持。


圖1 導(dǎo)電聚合物水凝膠在能源和環(huán)境電催化中的示意圖


  本文首先介紹了制備和改性導(dǎo)電水凝膠的策略。導(dǎo)電聚合物水凝膠結(jié)合了導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性和水凝膠的柔韌性與生物相容性。其制備方法多樣，包括自由基聚合、溶膠-凝膠法、水熱反應(yīng)和模板法等（圖2）。接著，強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)表征技術(shù)在調(diào)節(jié)導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生催化劑性能中的重要性。例如密度泛函理論（DFT），表面探測掃描電化學(xué)顯微鏡（SI-SECM）、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和球差校正透射電子顯微鏡（AC-TEM），原位傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和原位拉曼光譜等。通過采用這些技術(shù)，提供了增強(qiáng)這些催化劑性能和效率的策略。此外，詳細(xì)總結(jié)了導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生的三維納米結(jié)構(gòu)在環(huán)境電催化和能源轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用。包括硝酸根還原（NitRR）、氧還原反應(yīng)（ORR）和二氧化碳還原（CO2RR）等（圖3-5）。最后，討論了與水凝膠衍生電催化劑相關(guān)的未來潛力和挑戰(zhàn)，包括從高通量制備，高時空分辨表征技術(shù)到多場耦合應(yīng)用，與此同時強(qiáng)調(diào)了這一領(lǐng)域正在進(jìn)行的研究對于應(yīng)對能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的重要性（圖6）。


圖2 導(dǎo)電聚合物水凝膠制備方法 a)自由基聚合 b)溶膠-凝膠法 c)模板法


圖3 導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生的催化劑在硝酸根還原的應(yīng)用


圖4 導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生的催化劑在氧還原的應(yīng)用


圖5 導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生的催化劑在二氧化碳還原的應(yīng)用


圖6 導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生的關(guān)鍵發(fā)展和發(fā)展前景


  文章全面總結(jié)了影響電催化劑活性和選擇性的關(guān)鍵調(diào)控策略，包括活性位點的密集度、配位環(huán)境的精細(xì)調(diào)控、摻雜原子的種類與濃度，以及納米簇的尺寸。重點聚焦于導(dǎo)電聚合物水凝膠衍生電催化劑在環(huán)境凈化和能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的最新突破。這類水凝膠電催化劑因其易于功能化、擁有大比表面積、多級多孔結(jié)構(gòu)和卓越的穩(wěn)定性而備受矚目，促進(jìn)了質(zhì)量傳遞，增加了活性位點，從而顯著提升了電催化性能。這些優(yōu)點有效應(yīng)對能源和環(huán)境電催化領(lǐng)域的一系列挑戰(zhàn)，為開發(fā)更穩(wěn)定、更高效且成本更低的電催化劑提供了新思路？偠灾，該文章不僅為讀者呈現(xiàn)了電催化技術(shù)的最新進(jìn)展，而且激發(fā)了未來在追求可持續(xù)能源和環(huán)境解決方案方面的研究熱情，為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作指明了方向。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202406235

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（責(zé)任編輯：xu）
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