注册 English

基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展

凌崇益 ,  王金兰

downloadPDF
引用本文: 凌崇益,  王金兰. 基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(5): 869-885. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702088 shu
Citation:  LING Chong-Yi,  WANG Jin-Lan. Recent Advances in Electrocatalysts for the Hydrogen Evolution Reaction Based on Graphene-Like Two-Dimensional Materials[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(5): 869-885. doi: 10.3866/PKU.WHXB201702088 shu

基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展

  • 东南大学物理系, 南京 211189

  • 基金项目:

    国家自然科学基金（21525311，21373045，11404056），江苏省自然科学基金（BK20130016），高等学校博士学科点专项科研基金（20130092110029）以及东南大学优秀博士学位论文基金（YBJJ1670）资助

摘要: 利用可再生能源产生的电能电解水制取氢气，被认为是下一代清洁能源的最佳选择之一。然而，通过电解水可持续的产生氢气需要高活性的催化剂来使得反应有效地进行。基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂展现出巨大的潜力，因而备受关注。本文主要结合我们课题组近期在析氢反应电催化剂方面的研究，介绍了类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展，主要包括过渡金属二硫族化合物、前过渡金属碳化物（MXenes）以及硼单层纳米片等。最后总结和展望了析氢反应电催化剂所面临的挑战与未来发展方向。

English

    1. [1]

      Lubitz, W.; Tumas, W. Chem. Rev. 2007, 107, 3900.doi: 10.1021/cr050200z

    2. [2]

      Nenoff, T. M.; Berman, M. R.; Glasgow, K. C.; Cesa, M. C.; Taft, H. Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51, 11819. doi: 10.1021/ie301555t

    3. [3]

      Momirlan, M.; Veziroglu, T. N. Int. J. Hydrog. Energy 2005, 30, 795. doi: 10.1016/j.ijhydene.2004.10.011

    4. [4]

      Chu, S.; Majumdar, A. Nature 2012, 488, 294. doi: 10.1038/nature11475

    5. [5]

      Dresselhaus, M.; Thomas, I. Nature 2001, 414, 332.doi: 10.1038/35104599

    6. [6]

      Turner, J. A. Science 2004, 305, 972. doi: 10.1126/science.1103197

    7. [7]

      Barber, J. H.; Conway, B. E. J. Electroanal. Chem. 1999, 461, 80. doi: 10.1016/s0022-0728(98)00161-2

    8. [8]

      Schmidt, T. J.; Ross, P. N.; Markovic, N. M. J. Electroanal.Chem. 2002, 524, 252. doi: 10.1016/s0022-0728(02)00683-6

    9. [9]

      Grigoriev, S. A.; Millet, P.; Fateev, V. N. J. Power Sources 2008, 177, 281. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.11.072

    10. [10]

      Skulason, E.; Karlberg, G. S.; Rossmeisl, J.; Bligaard, T.; Greeley, J.; Jonsson, H.; Norskov, J. K. Phys. Chem. Chem.Phys. 2007, 9, 3241. doi: 10.1039/b700099e

    11. [11]

      Yang, T. H.; Pyun, S. I. J. Electroanal. Chem. 1996, 414, 127.doi: 10.1016/s0022-0728(96)04666-9

    12. [12]

      Vesborg, P. C.; Seger, B.; Chorkendorff, I. J Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 951. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00306

    13. [13]

      Lu, Q.; Yu, Y.; Ma, Q.; Chen, B.; Zhang, H. Adv. Mater. 2015, 28, 1917. doi: 10.1002/adma.201503270

    14. [14]

      Zou, X.; Zhang, Y. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5148.doi: 10.1039/C4CS00448E

    15. [15]

      Zheng, Y.; Jiao, Y.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Angew. Chem. Int.Ed. 2015, 54, 52. doi: 10.1002/anie.201407031

    16. [16]

      Cheng, Y.; Jiang, S. P. Prog. Nat. Sci. 2015, 25, 545.doi: 10.1016/j.pnsc.2015.11.008

    17. [17]

      Gong, M.; Dai, H. J. Nano Res. 2015, 8, 23. doi: 10.1007/s12274-014-0591-z

    18. [18]

      Surendranath, Y.; Nocera, D. G. Oxygen Evolution ReactionChemistry of Oxide-Based Electrodes. In Progress in InorganicChemistry, Vol. 57, Karlin, K. D. Ed. 2012; Vol. 57, p 505.

    19. [19]

      Tang, Q.; Zhou, Z.; Chen, Z. Wiley Interdisciplinary Reviews:Computational Molecular Science 2015, 5, 360. doi: 10.1002/wcms.1224

    20. [20]

      Tang, Q.; Zhou, Z. Progress in Materials Science 2013, 58, 1244. doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.04.003

    21. [21]

      Chia, X.; Eng, A. Y.; Ambrosi, A.; Tan, S. M.; Pumera, M.Chem. Rev. 2015, 115, 11941. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00287

    22. [22]

      Lasia, A. Handbook of Fuel Cells 2010. doi: 10.1002/9780470974001.f204033

    23. [23]

      Conway, B.; Tilak, B. Electrochim. Acta 2002, 47, 3571.doi: 10.1016/S0013-4686(02)00329-8

    24. [24]

      Bockris, J. M.; Potter, E. J. Electrochem. Soc. 1952, 99, 169.doi: 10.1149/1.2779692

    25. [25]

      Zheng, Y.; Jiao, Y.; Zhu, Y.; Li, L. H.; Han, Y.; Chen, Y.; Du, A.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Nat. Commun. 2014, 5, 3783.doi: 10.1038/ncomms4783

    26. [26]

      Nørskov, J. K.; Bligaard, T.; Logadottir, A.; Kitchin, J. R.; Chen, J. G.; Pandelov, S.; Stimming, U. J. Electrochem. Soc. 2005, 152, J23. doi: 10.1149/1.1856988

    27. [27]

      Jaramillo, T. F.; Jørgensen, K. P.; Bonde, J.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I. Science 2007, 317, 100.doi: 10.1126/science.1141483

    28. [28]

      Greeley, J.; Nørskov, J. K.; Kibler, L. A.; El-Aziz, A. M.; Kolb, D. M. ChemPhysChem 2006, 7, 1032. doi: 10.1002/cphc.200500663

    29. [29]

      Sholl, D. S.; Steckel, J. A. DFT Calculations of VibrationalFrequencies. In Density Functional Theory, JohnWiley & Sons, Inc.: Hoboken, NJ, USA, 2009; p 113.

    30. [30]

      Hinnemann, B.; Moses, P. G.; Bonde, J.; Jørgensen, K. P.; Nielsen, J. H.; Horch, S.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K. J. Am.Chem. Soc. 2005, 127, 5308. doi: 10.1021/ja0504690

    31. [31]

      Tributsch, H. Berichte der Bunsengesellschaft für PhysikalischeChemie 1977, 81, 361. doi: 10.1002/bbpc.19770810403

    32. [32]

      Tributsch, H.; Bennett, J. J. Electroanal. Chem. 1977, 81, 97.doi: 10.1016/S0022-0728(77)80363-X

    33. [33]

      Karunadasa, H. I.; Montalvo, E.; Sun, Y.; Majda, M.; Long, J.R.; Chang, C. J. Science 2012, 335, 698. doi: 10.1126/science.1215868

    34. [34]

      Jaramillo, T. F.; Bonde, J.; Zhang, J.; Ooi, B. L.; Andersson, K.; Ulstrup, J.; Chorkendorff, I. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 17492.doi: 10.1021/jp802695e

    35. [35]

      Kibsgaard, J.; Jaramillo, T. F.; Besenbacher, F. Nat. Chem. 2014, 6, 248. doi: 10.1038/nchem.1853

    36. [36]

      Lau, V.W. H.; Masters, A. F.; Bond, A. M.; Maschmeyer, T.Chem. -Eur. J. 2012, 18, 8230. doi: 10.1002/chem.201200255

    37. [37]

      Lau, V.W. H.; Masters, A. F.; Bond, A. M.; Maschmeyer, T.ChemCatChem 2011, 3, 1739. doi: 10.1002/cctc.201100212

    38. [38]

      Wang, T.; Gao, D.; Zhuo, J.; Zhu, Z.; Papakonstantinou, P.; Li, Y.; Li, M. Chem. Eur. J. 2013, 19, 11939. doi: 10.1002/chem.201301406

    39. [39]

      Zhang, L.; Wu, H. B.; Yan, Y.; Wang, X.; Lou, X.W. D. EnergyEnviron. Sci. 2014, 7, 3302. doi: 10.1039/C4EE01932F

    40. [40]

      Benck, J. D.; Hellstern, T. R.; Kibsgaard, J.; Chakthranont, P.; Jaramillo, T. F. ACS Catal. 2014, 4, 3957. doi: 10.1021/cs500923c

    41. [41]

      Wu, Z.; Fang, B.; Wang, Z.; Wang, C.; Liu, Z.; Liu, F.; Wang, W.; Alfantazi, A.; Wang, D.; Wilkinson, D. P. ACS Catal. 2013, 3, 2101. doi: 10.1021/cs400384h

    42. [42]

      Chia, X.; Ambrosi, A.; Sedmidubský, D.; Sofer, Z.; Pumera, M.Chem. -Eur. J. 2014, 20, 17426. doi: 10.1002/chem.201404832

    43. [43]

      Wang, D.; Wang, Z.; Wang, C.; Zhou, P.; Wu, Z.; Liu, Z.Electrochem. Commun. 2013, 34, 219. doi: 10.1016/j.elecom.2013.06.018

    44. [44]

      Gopalakrishnan, D.; Damien, D.; Shaijumon, M. M. ACS Nano 2014, 8, 5297. doi: 10.1021/nn501479e

    45. [45]

      Xie, J.; Zhang, H.; Li, S.; Wang, R.; Sun, X.; Zhou, M.; Zhou, J.; Lou, X.W.; Xie, Y. Adv. Mater. 2013, 25, 5807. doi: 10.1002/adma.201302685

    46. [46]

      Yu, Y.; Huang, S. Y.; Li, Y.; Steinmann, S. N.; Yang, W.; Cao, L.Nano Lett. 2014, 14, 553. doi: 10.1021/nl403620g

    47. [47]

      Shi, J.; Ma, D.; Han, G. F.; Zhang, Y.; Ji, Q.; Gao, T.; Sun, J.; Song, X.; Li, C.; Zhang, Y. ACS Nano 2014, 8, 10196.doi: 10.1021/nn503211t

    48. [48]

      Kibsgaard, J.; Chen, Z.; Reinecke, B. N.; Jaramillo, T. F. Nat.Mater. 2012, 11, 963. doi: 10.1038/nmat3439

    49. [49]

      Tan, Y.; Liu, P.; Chen, L.; Cong, W.; Ito, Y.; Han, J.; Guo, X.; Tang, Z.; Fujita, T.; Hirata, A.; Chen, M.W. Adv. Mater. 2014, 26, 8023. doi: 10.1002/adma.201403808

    50. [50]

      Lu, Z.; Zhang, H.; Zhu, W.; Yu, X.; Kuang, Y.; Chang, Z.; Lei, X.; Sun, X. Chem. Commun. 2013, 49, 7516. doi: 10.1039/C3CC44143A

    51. [51]

      Yang, Y.; Fei, H.; Ruan, G.; Xiang, C.; Tour, J. M. Adv. Mater. 2014, 26, 8163. doi: 10.1002/adma.201402847

    52. [52]

      Li, H.; Tsai, C.; Koh, A. L.; Cai, L.; Contryman, A.W.; Fragapane, A. H.; Zhao, J.; Han, H. S.; Manoharan, H. C.; Abild-Pedersen, F. Nat. Mater. 2015, 15, 48. doi: 10.1038/nmat4465

    53. [53]

      Ouyang, Y.; Ling, C.; Chen, Q.; Wang, Z.; Shi, L.; Wang, J.Chem. Mater. 2016, 28, 4390. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b01395

    54. [54]

      Deng, J.; Li, H.; Xiao, J.; Tu, Y.; Deng, D.; Yang, H.; Tian, H.; Li, J.; Ren, P.; Bao, X. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1594.doi: 10.1039/C5EE00751H

    55. [55]

      Li, Y.; Wang, H.; Xie, L.; Liang, Y.; Hong, G.; Dai, H. J. Am.Chem. Soc. 2011, 133, 7296. doi: 10.1021/ja201269b

    56. [56]

      Tsai, C.; Abild-Pedersen, F.; Nørskov, J. K. Nano Lett. 2014, 14, 1381. doi: 10.1021/nl404444k

    57. [57]

      Lukowski, M. A.; Daniel, A. S.; Meng, F.; Forticaux, A.; Li, L.; Jin, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10274. doi: 10.1021/ja404523s

    58. [58]

      Ambrosi, A.; Sofer, Z.; Pumera, M. Small 2015, 11, 605.doi: 10.1002/smll.201400401

    59. [59]

      Voiry, D.; Salehi, M.; Silva, R.; Fujita, T.; Chen, M.; Asefa, T.; Shenoy, V. B.; Eda, G.; Chhowalla, M. Nano Lett. 2013, 13, 6222. doi: 10.1021/nl403661s

    60. [60]

      Tang, Q.; Jiang, D. E. ACS Catal 2016, 6, 4953. doi: 10.1021/acscatal.6b01211

    61. [61]

      Kong, D.; Wang, H.; Cha, J. J.; Pasta, M.; Koski, K. J.; Yao, J.; Cui, Y. Nano Lett. 2013, 13, 1341. doi: 10.1021/nl400258t

    62. [62]

      Wang, H.; Kong, D.; Johanes, P.; Cha, J. J.; Zheng, G.; Yan, K.; Liu, N.; Cui, Y. Nano Lett. 2013, 13, 3426. doi: 10.1021/nl401944f

    63. [63]

      Mao, S.; Wen, Z.; Ci, S.; Guo, X.; Ostrikov, K. K.; Chen, J.Small 2015, 11, 414. doi: 10.1002/smll.201401598

    64. [64]

      Voiry, D.; Yamaguchi, H.; Li, J.; Silva, R.; Alves, D. C.; Fujita, T.; Chen, M.; Asefa, T.; Shenoy, V. B.; Eda, G.; Chhowalla, M.Nat. Mater. 2013, 12, 850. doi: 10.1038/nmat3700

    65. [65]

      Lukowski, M. A.; Daniel, A. S.; English, C. R.; Meng, F.; Forticaux, A.; Hamers, R. J.; Jin, S. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2608. doi: 10.1039/c4ee01329h

    66. [66]

      Naguib, M.; Kurtoglu, M.; Presser, V.; Lu, J.; Niu, J.; Heon, M.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M.W. Adv. Mater. 2011, 23, 4248. doi: 10.1002/adma.201102306

    67. [67]

      Naguib, M.; Mashtalir, O.; Carle, J.; Presser, V.; Lu, J.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M.W. ACS Nano 2012, 6, 1322. doi: 10.1021/nn204153h

    68. [68]

      Naguib, M.; Mochalin, V. N.; Barsoum, M.W.; Gogotsi, Y. Adv.Mater. 2014, 26, 992. doi: 10.1002/adma.201304138

    69. [69]

      Anasori, B.; Xie, Y.; Beidaghi, M.; Lu, J.; Hosler, B. C.; Hultman, L.; Kent, P. R. C.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M.W. ACSNano 2015, 9, 9507. doi: 10.1021/acsnano.5b03591

    70. [70]

      Naguib, M.; Halim, J.; Lu, J.; Cook, K. M.; Hultman, L.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M.W. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15966. doi: 10.1021/ja405735d

    71. [71]

      Tang, Q.; Zhou, Z.; Shen, P. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16909. doi: 10.1021/ja308463r

    72. [72]

      Xie, Y.; Dall'Agnese, Y.; Naguib, M.; Gogotsi, Y.; Barsoum, M.W.; Zhuang, H. L.; Kent, P. R. ACS Nano 2014, 8, 9606.doi: 10.1021/nn503921j

    73. [73]

      Xie, Y.; Naguib, M.; Mochalin, V. N.; Barsoum, M.W.; Gogotsi, Y.; Yu, X.; Nam, K.W.; Yang, X. Q.; Kolesnikov, A. I.; Kent, P.R. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6385. doi: 10.1021/ja501520b

    74. [74]

      Rakhi, R.; Ahmed, B.; Hedhili, M.; Anjum, D. H.; Alshareef, H.N. Chem. Mater. 2015, 27, 5314. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b01623

    75. [75]

      Hu, Q.; Sun, D.; Wu, Q.; Wang, H.; Wang, L.; Liu, B.; Zhou, A.; He, J. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 14253. doi: 10.1021/jp409585v

    76. [76]

      Hu, Q.; Wang, H.; Wu, Q.; Ye, X.; Zhou, A.; Sun, D.; Wang, L.; Liu, B.; He, J. Int. J. Hydrog. Energy 2014, 39, 10606.doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.037

    77. [77]

      Khazaei, M.; Arai, M.; Sasaki, T.; Chung, C. Y.; Venkataramanan, N. S.; Estili, M.; Sakka, Y.; Kawazoe, Y. Adv.Funct. Mater. 2013, 23, 2185. doi: 10.1002/adfm.201202502

    78. [78]

      Lei, J. C.; Zhang, X.; Zhou, Z. Frontiers of Physics 2015, 10, 276. doi: 10.1007/s11467-015-0493-x

    79. [79]

      Ling, C.; Shi, L.; Ouyang, Y.; Chen, Q.; Wang, J. Adv. Sci. 2016, 3, 1600180. doi: 10.1002/advs.201600180

    80. [80]

      Seh, Z.W.; Fredrickson, K. D.; Anasori, B.; Kibsgaard, J.; Strickler, A. L.; Lukatskaya, M. R.; Gogotsi, Y.; Jaramillo, T. F.; Vojvodic, A. ACS Energy Letters 2016, 1, 589. doi: 10.1021/acsenergylett.6b00247

    81. [81]

      Ling, C.; Shi, L.; Ouyang, Y.; Wang, J. Chem. Mater. 2016, 28, 9026. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b03972

    82. [82]

      Tang, H.; Ismail-Beigi, S. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 115501.doi: 10.1103/PhysRevLett.99.115501

    83. [83]

      Wu, X.; Dai, J.; Zhao, Y.; Zhuo, Z.; Yang, J.; Zeng, X. C. ACSNano 2012, 6, 7443. doi: 10.1021/nn302696v

    84. [84]

      Feng, B.; Zhang, J.; Zhong, Q.; Li, W.; Li, S.; Li, H.; Cheng, P.; Meng, S.; Chen, L.; Wu, K. Nat. Chem. 2016, 8, 563.doi: 10.1038/nchem.2491

    85. [85]

      Mannix, A. J.; Zhou, X. F.; Kiraly, B.; Wood, J. D.; Alducin, D.; Myers, B. D.; Liu, X.; Fisher, B. L.; Santiago, U.; Guest, J. R.Science 2015, 350, 1513. doi: 10.1126/science.aad1080

    86. [86]

      Shi, L.; Ling, C.; Ouyang, Y.; Wang, J. Nanoscale 2017, 9, 533.doi: 10.1039/C6NR06621F

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  8
  • 文章访问数:  588
  • HTML全文浏览量:  91
文章相关
  • 发布日期:  2017-02-08
  • 收稿日期:  2016-12-20
  • 修回日期:  2017-01-21
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net