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Microstructural engineering of two-dimensional clay-based materials for advanced electrochemical energy conversion

二維粘土基材料的微觀結(jié)構(gòu)工程在先進(jìn)電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

作者信息：

Ruiqian Zhang ^a, Binbin Qian ^b, Ke Xu ^b, Amir Said ^a, Kunfeng Chen ^c, Chunlei Yang ^a, Sridhar Komarneni ^d, Dongfeng Xue ^b *

aCenter for Photonics Information and Energy Materials, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055, China

b Shenzhen Institute for Advanced Study, University of Electronic Science and Technology of China, Shenzhen, 518110, China

c State Key Laboratory of Crystal Materials, Institute of Novel Semiconductors, Shandong University, Jinan, 250100, China

d Materials Research Institute and Department of Ecosystem Science and Management, 204 Energy and the Environment Laboratory, The Pennsylvania State University, University Park, PA, 16802, USA

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100016

文章介紹：

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展面臨著能源消耗和環(huán)境退化日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這些問題，推進(jìn)清潔和可持續(xù)能源技術(shù)至關(guān)重要。然而，太陽能間歇性、氣候變化、水文變異以及風(fēng)力的不規(guī)律等不可控因素阻礙了可再生能源的儲存和高效利用。克服這些制約因素，將自然能源波動轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可擴(kuò)展的能源系統(tǒng)，是未來發(fā)展的關(guān)鍵。在各種可再生能源中，氫能因其高能量密度、可持續(xù)性和零排放特性脫穎而出。氫能廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)過程和電力生成等領(lǐng)域。在能源轉(zhuǎn)型的時代，氫能有望在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮變革性作用。

氫氣演化反應(yīng)（HER）、氧氣演化反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）等能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的關(guān)鍵在于電催化材料。貴金屬催化劑（如鉑、銠、銥）由于其卓越的性能，已廣泛應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換。然而，貴金屬的高成本成為能源發(fā)展的重大障礙。

粘土基材料因其優(yōu)異的物理化學(xué)特性、成本效益、自然豐富性和優(yōu)良的熱力學(xué)穩(wěn)定性，已成為能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中極具前景的候選材料。其中，二維粘土基材料如蒙脫石（MMT）、蛭石（VMT）和層狀雙氫氧化物（LDHs）尤其以其高比表面積和復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)而聞名。這些二維粘土基材料的特點(diǎn)顯著提高了電解質(zhì)的可達(dá)性，并促進(jìn)了離子快速傳輸，使其在多種能源技術(shù)中具有理想的應(yīng)用前景。然而，粘土基材料固有的低電子導(dǎo)電性和有限的活性位點(diǎn)密度在一定程度上制約了其催化效率。此外，它們強(qiáng)烈的自聚集傾向加劇了這些限制，減少了催化活性表面的可用性，并阻礙了反應(yīng)動力學(xué)。克服這些障礙仍是推動粘土基材料在下一代能源系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員提出了一系列創(chuàng)新的改性策略：通過離子交換、層間擴(kuò)展和表面功能化來改善結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性；集成石墨烯或碳納米管等導(dǎo)電材料并引入異原子摻雜以增強(qiáng)電子導(dǎo)電性；采用模板法或自組裝方法創(chuàng)建分級多孔結(jié)構(gòu)，從而改善活性物質(zhì)的分散。這些方法旨在優(yōu)化粘土材料的自旋配置、軌道雜化和晶格穩(wěn)定性，釋放其在電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的全部潛力。

二維粘土基材料展現(xiàn)出作為高效催化劑的巨大潛力，但仍需進(jìn)一步的改性和研究。通過微觀結(jié)構(gòu)工程，二維粘土基材料可以顯著提高其催化活性，成為貴金屬催化劑的理想替代品。本文討論了典型二維粘土材料（如MMT、VMT和LDHs）的結(jié)構(gòu)特征和微觀結(jié)構(gòu)工程。系統(tǒng)分析了提高二維粘土基材料催化性能的各種微觀結(jié)構(gòu)工程方法，包括通過離子交換調(diào)節(jié)電子態(tài)、通過層間擴(kuò)展增加活性位點(diǎn)的可達(dá)性、通過缺陷工程引入表面空位以及通過異原子摻雜優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)。最后，回顧了粘土基材料在電化學(xué)水分解中的最新進(jìn)展，并展望了二維粘土基催化劑的前景。

中文摘要：
二維粘土基材料在氫氣演化反應(yīng)（HER）、氧氣演化反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）等關(guān)鍵電化學(xué)過程中的潛力已得到顯著認(rèn)可。二維粘土基材料具有內(nèi)在的優(yōu)勢，如多孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的比表面積、優(yōu)異的熱力學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性、豐富的資源以及成本效益。然而，二維粘土基材料的電催化活性有限，仍然是一個主要挑戰(zhàn)。這個問題與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，包括自旋狀態(tài)、軌道雜化、能帶對齊和晶格穩(wěn)定性。本文探討了改性二維粘土基材料與催化性能之間的關(guān)系，總結(jié)了缺陷工程和異原子摻雜等策略，以增強(qiáng)軌道重疊，從而提高HER、OER和ORR的催化活性。最后，本文討論了粘土基材料的發(fā)展前景，強(qiáng)調(diào)了結(jié)合先進(jìn)計算與實驗技術(shù)在推動能源轉(zhuǎn)換材料創(chuàng)新中的關(guān)鍵作用。