Citation: Huimin Yang, Yao Chen, Yong Qin. Application of atomic layer deposition in fabricating high-efficiency electrocatalysts[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(2): 227-241. doi: S1872-2067(19)63440-6
原子层沉积方法在设计制备高效电催化剂中的应用
文章首先介绍了ALD反应机理、载体表面官能团对ALD生长的促进作用以及ALD制备方法对催化剂金属-载体相互作用的影响等基本原理和知识.总结了利用ALD技术制备高活性Pt催化剂的各种方法,包括制备超细纳米颗粒,纳米线、纳米薄膜、纳米管,纳米3D结构等不同形貌Pt催化剂等.介绍并探讨了利用ALD构筑纳米陷阱、包覆超薄多孔碳膜/氧化物膜、选择性修饰载体等提高Pt催化剂稳定性的策略.文章还介绍了如何通过调节ALD反应温度、前驱体种类,以及利用选择性沉积等方法,精确调控双贵金属电催化剂中金属的比例、尺寸、结构等以提高催化剂性能,并重点阐述了双金属核壳催化剂的制备方法.此外,文章还概述了ALD方法制备非贵金属催化剂的研究进展.最后,文章总结了ALD技术在设计、制备电催化剂领域的优势和不足,展望了ALD在该领域的发展和应用前景,为设计、制备高性能电催化剂提供了参考.
English
Application of atomic layer deposition in fabricating high-efficiency electrocatalysts
-
Key words:
- Atomic layer deposition
- / Electrocatalysis
- / Pt
- / Catalyst stability
- / Metal-support interaction
-
-
[1] J. A. Turner, Science, 2004, 305, 972-974.
-
[2] S. Chu, A. Majumdar, Nature, 2012, 488, 294-303.
-
[3] T. Reier, M. Oezaslan, P. Strasser, ACS Catal., 2012, 2, 1765-1772.
-
[4] Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science, 2017, 355, eaad4998.
-
[5] Y. Nie, L. Li, Z. Wei, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 2168-2201.
-
[6] I. Ganesh, Renew. Sustain. Energy Rev., 2016, 59, 1269-1297.
-
[7] F. J. Vidal-Iglesias, N. Garcia-Araez, V. Montiel, J. M. Feliu, A. Aldaz, Electrochem. Commun., 2003, 5, 22-26.
-
[8] H. Liu, C. Song, L. Zhang, J. Zhang, H. Wang, D. P. Wilkinson, J. Power Sources, 2006, 155, 95-110.
-
[9] W. J. Zhou, Z. H. Zhou, S. Q. Song, W. Z. Li, W. Li, G. Q. Sun, P. Tsiakaras, Q. Xin, Appl. Catal. B:Environ., 2003, 46, 273-285.
-
[10] C. Rice, S. Ha, R. I. Masel, A. Wieckowski, J. Power Sources, 2003, 115, 229-235.
-
[11] L. Zhang, L. Han, H. Liu, X. Liu, J. Luo, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13694-13698.
-
[12] E. J. Yoo, T. Okata, T. Akita, M. Kohyama, J. Nakamura, I. Honma, Nano Lett., 2009, 9, 2255-2259.
-
[13] J. X. Wang, H. Inada, L. J. Wu, Y. M. Zhu, Y. M. Choi, P. Liu, W. P. Zhou, R. R. Adzic, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 17298-17302.
-
[14] N. Cheng, M. Norouzi Banis, J. Liu, A. Riese, S. Mu, R. Li, T. K. Sham, X. Sun, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1450-1455.
-
[15] X. Cheng, Y. Li, L. Zheng, Y. Yan, Y. Zhang, G. Chen, S. Sun, J. Zhang, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 2450-2458.
-
[16] H. Lv, S. Mu, N. Cheng, M. Pan, Appl. Catal. B:Environ., 2010, 100, 190-196.
-
[17] S. Yin, S. Mu, H. Lv, N. Cheng, M. Pan, Z. Fu, Appl. Catal. B:Environ., 2010, 93, 233-240.
-
[18] N. Cheng, S. Stambula, D. Wang, M. N. Banis, J. Liu, A. Riese, B. Xiao, R. Li, T. K. Sham, L. M. Liu, G. A. Botton, X. Sun, Nat. Commun., 2016, 7, 13638.
-
[19] C. Wang, F. Hu, H. Yang, Y. Zhang, H. Lu, Q. Wang, Nano Res., 2017, 10, 238-246.
-
[20] Y. Chen, S. Ji, Y. Wang, J. Dong, W. Chen, Z. Li, R. Shen, L. Zheng, Z. Zhuang, D. Wang, Y. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6937-6941.
-
[21] M. C. Tsai, T. T. Nguyen, N. G. Akalework, C. J. Pan, J Rick, Y. F. Liao, W. N. Su, B. J. Hwang, ACS Catal., 2016, 6, 6551-6559.
-
[22] X. Han, F. Cheng, T. Zhang, J. Yang, Y. Hu, J. Chen, Adv. Mater., 2014, 26, 2047-2051.
-
[23] C. Meng, T. Ling, T. Y. Ma, H. Wang, Z. Hu, Y. Zhou, J. Mao, X. W. Du, M. Jaroniec, S. Z. Qiao, Adv. Mater., 2017, 29, 1604607.
-
[24] N. Cheng, M. N. Banis, J. Liu, A. Riese, X. Li, R. Li, S. Ye, S. Knights, X. Sun, Adv. Mater., 2015, 27, 277-281.
-
[25] J. Lu, P. C. Stair, Langmuir, 2010, 26, 16486-16495.
-
[26] V. R. Anderson, N. Leick, J. W. Clancey, K. E. Hurst, K. M. Jones, A. C. Dillon, S. M. George, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 8960-8970.
-
[27] M. Knez, K. Nielsch, L. Niinistö, Adv. Mater., 2007, 19, 3425-3438.
-
[28] T. Aaltonen, M. Ritala, T. Sajavaara, J. Keinonen, M. Leskelä, Chem. Mater., 2003, 15, 1924-1928.
-
[29] C. T. Hsieh, D. Y. Tzou, M. T. Jiang, J. Electroanal. Chem., 2017, 794, 139-147.
-
[30] J. L. Lu, J. W. Elam, P. C. Stair, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1806-1815.
-
[31] S. Sun, G. Zhang, N. Gauquelin, N. Chen, J. Zhou, S. Yang, W. Chen, X. Meng, D. Geng, M. N. Banis, R. Li, S. Ye, S. Knights, G. A. Botton, T. K. Sham, X. Sun, Sci. Rep., 2013, 3, 1775.
-
[32] E. Rikkinen, A. Santasalo-Aarnio, S. Airaksinen, M. Borghei, V. Viitanen, J. Sainio, E. I. Kauppinen, T. Kallio, A. O. I. Krause, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 23067-23073.
-
[33] C. T. Hsieh, Y. Y. Liu, D. Y. Tzou, Y. C. Chen, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 2014, 45, 186-191.
-
[34] X. Jiang, T. M. Gür, F. B. Prinz, S. F. Bent, Chem. Mater., 2010, 22, 3024-3032.
-
[35] W. Setthapun, W. D. Williams, S. M. Kim, H. Feng, J. W. Elam, F. A. Rabuffetti, K. R. Poeppelmeier, P. C. Stair, E. A. Stach, F. H. Ribeiro, J. T. Miller, C. L. Marshall, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 9758-9771.
-
[36] T. D. Gould, A. M. Lubers, A. R. Corpuz, A. W. Weimer, J. L. Falconer, J. W. Medlin, ACS Catal., 2015, 5, 1344-1352.
-
[37] C. Y. Su, Y. C. Hsueh, C. C. Kei, C. T. Lin, T. P. Perng, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 11610-11618.
-
[38] C. K. Poh, S. H. Lim, H. Pan, J. Lin, J. Y. Lee, J. Power Sources, 2008, 176, 70-75.
-
[39] Y. C. Hsueh, C. C. Wang, C. C. Kei, Y. H. Lin, C. Liu, T. P. Perng, J. Catal., 2012, 294, 63-68.
-
[40] C. T. Hsieh, W. Y. Chen, D. Y. Tzou, A. K. Roy, H. T. Hsiao, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37, 17837-17843.
-
[41] T. Shu, S. J. Liao, C. T. Hsieh, A. K. Roy, Y. Y. Liu, D. Y. Tzou, W. Y. Chen, Electrochim. Acta, 2012, 75, 101-107.
-
[42] C. T. Hsieh, H. T. Hsiao, D. Y. Tzou, P. Y. Yu, P. Y. Chen, B. S. Jang, Mater. Chem. Phys., 2015, 149-150, 359-367.
-
[43] A. A. Dameron, S. Pylypenko, J. B. Bult, K. C. Neyerlin, C. Engtrakul, C. Bochert, G. J. Leong, S. L. Frisco, L. Simpson, H. N. Dinh, B. Pivovar, Appl. Surf. Sci., 2012, 258, 5212-5221.
-
[44] J. Li, B. Zhang, Y. Chen, J. Zhang, H. Yang, J. Zhang, X. Lu, G. Li, Y. Qin, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 4218-4223.
-
[45] A. M. Lubers, C. L. Muhich, K. M. Anderson, A. W. Weimer, J. Nanopart. Res., 2015, 17, 1-16.
-
[46] T. Holme, Y. Zhou, R. Pasquarelli, R. O'Hayre, Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 9461-9468.
-
[47] H. Yang, B. Zhang, B. Zhang, Z. Gao, Y. Qin, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1038-1043.
-
[48] S. Stambula, N. Gauquelin, M. Bugnet, S. Gorantla, S. Turner, S. Sun, J. Liu, G. Zhang, X. Sun, G. A. Botton, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 3890-3900.
-
[49] X. Liu, M. H. Liu, Y. C. Luo, C. Y. Mou, S. D. Lin, H. Cheng, J. M. Chen, J. F. Lee, T. S. Lin, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 10251-10258.
-
[50] C. J. Pan, M. C. Tsai, W. N. Su, J. Rick, N. G. Akalework, A. K. Agegnehu, S. Y. Cheng, B. J. Hwang, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 2017, 74, 154-186.
-
[51] Y. Shao-Horn, W. C. Sheng, S. Chen, P. J. Ferreira, E. F. Holby, D. Morgan, Top. Catal., 2007, 46, 285-305.
-
[52] S. Saha, B. Martin, B. Leonard, D. Li, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 9253-9265.
-
[53] P. Nayak, Q. Jiang, N. Kurra, X. Wang, U. Buttner, H. N. Alshareef, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 20422-20427.
-
[54] J. Zhang, C. Chen, S. Chen, Q. Hu, Z. Gao, Y. Li, Y. Qin, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 322-329.
-
[55] H. B. R. Lee, S. F. Bent, Chem. Mater., 2015, 27, 6802-6809.
-
[56] H. Zhang, C. Cheng, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15961-15967.
-
[57] S. Pulinthanathu Sree, J. Dendooven, L. Geerts, R. K. Ramachandran, E. Javon, F. Ceyssens, E. Breynaert, C. E. A. Kirschhock, R. Puers, T. Altantzis, G. Van Tendeloo, S. Bals, C. Detavernier, J. A. Martens, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 19007-19016.
-
[58] H. Feng, J. Lu, P. C. Stair, J. W. Elam, Catal. Lett., 2011, 141, 512-517.
-
[59] J. Lu, B. Fu, M. C. Kung, G. Xiao, J. W. Elam, H. H. Kung, P. C. Stair, Science, 2012, 335, 1205-1208.
-
[60] C. Marichy, G. Ercolano, G. Caputo, M. G. Willinger, D. Jones, J. Rozière, N. Pinna, S. Cavaliere, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 969-975.
-
[61] W. Ren, H. Zhang, C. Cheng, Electrochim. Acta, 2017, 241, 316-322.
-
[62] S. Saha, J. A. Cabrera Rodas, S. Tan, D. Li, J. Power Sources, 2018, 378, 742-749.
-
[63] F. Gao, D. W. Goodman, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 8009-8020.
-
[64] F. Maroun, F. Ozanam, O. M. Magnussen, R. J. Behm, Science, 2001, 293, 1811-1814.
-
[65] O. A. Petrii, J. Solid State Electrochem., 2008, 12, 609-642.
-
[66] P. Mani, R. Srivastava, P. Strasser, J. Power Sources, 2011, 196, 666-673.
-
[67] B. Y. Xia, H. B. Wu, N. Li, Y. Yan, X. W. Lou, X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3797-3801.
-
[68] S. Duan, R. Wang, Prog. Nat. Sci.:Mater. Int., 2013, 23, 113-126.
-
[69] R. K. Ramachandran, J. Dendooven, M. Filez, V. V. Galvita, H. Poelman, E. Solano, M. M. Minjauw, K. Devloo-Casier, E. Fonda, D. Hermida-Merino, W. Bras, G.B. Marin, C. Detavernier, ACS Nano, 2016, 10, 8770-8777.
-
[70] S. T. Christensen, H. Feng, J. L. Libera, N. Guo, J. T. Miller, P. C. Stair, J. W. Elam, Nano Lett., 2010, 10, 3047-3051.
-
[71] A. C. Johansson, R. B. Yang, K. B. Haugshøj, J. V. Larsen, L. H. Christensen, E. V. Thomsen, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 11406-11414.
-
[72] R. K. Ramachandran, M. Filez, J. Dendooven, V. V. Galvita, H. Poelman, E. Solano, E. Fonda, G. B. Marin, C. Detavernier, RSC Adv., 2017, 7, 20201-20205.
-
[73] H. Wang, C. Wang, H. Yan, H. Yi, J. Lu, J. Catal., 2015, 324, 59-68.
-
[74] A. S. Aarnio, E. Sairanen, R. M. Arán-Ais, M. C. Figueiredo, J. Hua, J. M. Feliu, J. Lehtonen, R. Karinen, T. Kallio, J. Catal., 2014, 309, 38-48.
-
[75] S. T. Christensen, J. W. Elam, Chem. Mater., 2010, 22, 2517-2525.
-
[76] D. Wang, H. L. Xin, R. Hovden, H. Wang, Y. Yu, D. A. Muller, F. J. Di Salvo, H. D. Abruna, Nat. Mater., 2013, 12, 81-87.
-
[77] D. Kaplan, M. Alon, L. Burstein, Y. Rosenberg, E. Peled, J. Power Sources, 2011, 196, 1078-1083.
-
[78] X. Wang, Y. Orikasa, Y. Takesue, H. Inoue, M. Nakamura, T. Minato, N. Hoshi, Y. Uchimoto, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 5938-5941.
-
[79] S. Xie, S.I. Choi, N. Lu, L. T. Roling, J.A. Herron, L. Zhang, J. Park, J. Wang, M. J. Kim, Z. Xie, M. Mavrikakis, Y. Xia, Nano Lett., 2014, 14, 3570-3576.
-
[80] H. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2674-2676.
-
[81] M. J. Weber, A. J. M. Mackus, M. A. Verheijen, C. van der Marel, W. M. M. Kessels, Chem. Mater., 2012, 24, 2973-2977.
-
[82] J. Lu, K. B. Low, Y. Lei, J. A. Libera, A. Nicholls, P. C. Stair, J. W. Elam, Nat. Commun., 2014, 5, 4264.
-
[83] K. Cao, Q. Zhu, B. Shan, R. Chen, Sci. Rep., 2015, 5, 8470.
-
[84] Y. C. Wang, Y. J. Lai, L. Song, Z. Y. Zhou, J. G. Liu, Q. Wang, X. D. Yang, C. Chen, W. Shi, Y. P. Zheng, M. Rauf, S. G. Sun, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9907-9910.
-
[85] Y. Y. Ma, C. X. Wu, X. J. Feng, H. Q. Tan, L. K. Yan, Y. Liu, Z. H. Kang, E. B. Wang, Y. G. Li, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 788-798.
-
[86] R. Miao, B. Dutta, S. Sahoo, J. He, W. Zhong, S. A. Cetegen, T. Jiang, S. P. Alpay, S. L. Suib, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13604-13607.
-
[87] P. Chen, T. Zhou, L. Xing, K. Xu, Y. Tong, H. Xie, L. Zhang, W. Yan, W. Chu, C. Wu, Y. Xie, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 610-614.
-
[88] S. H. Nam, Y. S. Kim, H. S. Shim, S. M. Choi, H. J. Kim, W. B. Kim, J. Nanosci. Nanotechnol., 2008, 8, 5427-5432.
-
[89] P. Lin, Q. She, B. Hong, X. J. Liu, Y. Shi, Z. Shi, M. Zheng, Q. Dong, J. Electrochem. Soc., 2010, 157, A818-A823.
-
[90] X. Tong, Y. Qin, X. Guo, O. Moutanabbir, X. Ao, E. Pippel, L. Zhang, M. Knez, Small, 2012, 8, 3390-3395.
-
[91] K. L. Pickrahn, S. W. Park, Y. Gorlin, H. B. R. Lee, T. F. Jaramillo, S. F. Bent, Adv. Energy Mater., 2012, 2, 1269-1277.
-
[92] C. Y. Su, B. H. Liu, T. J. Lin, Y. M. Chi, C. C. Kei, K. W. Wang, T. P. Perng, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 18983-18990.
-
[93] H. Li, Z. Guo, X. Wang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 21353-21361.
-
[94] Z. Guo, X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 5898-5920.
-
[95] H. Li, Y. Shao, Y. Su, Y. Gao, X. Wang, Chem. Mater., 2016, 28, 1155-1164.
-
[96] T. A. Ho, C. Bae, H. Nam, E. Kim, S. Y. Lee, J. H. Park, H. Shin, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 12807-12815.
-
[97] Y. Cimen, A. W. Peters, J. R. Avila, W. L. Hoffeditz, S. Goswami, O. K. Farha, J. T. Hupp, Langmuir, 2016, 32, 12005-12012.
-
[98] W. Xiong, Z. Guo, H. Li, R. Zhao, X. Wang, ACS Energy Lett., 2017, 2, 2778-2785.
-
[99] Y. Kim, D. H. K. Jackson, D. Lee, M. Choi, T. W. Kim, S. Y. Jeong, H. J. Chae, H. W. Kim, N. Park, H. Chang, T. F. Kuech, H. J. Kim, Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1701825.
-
[100] S. Oh, J. B. Kim, J. T. Song, J. Oh, S. H. Kim, J. Mater. Chem A, 2017, 5, 3304-3310.
-
[101] Y. Gogotsi, Nat. Mater., 2015, 14, 1079-1080.
-
[102] B. Anasori, M. R. Lukatskaya, Y. Gogotsi, Nat. Rev. Mater., 2017, 2, 16098.
-
[103] H. H. Hwu, J. G. Chen, Chem. Rev., 2005, 105, 185-212.
-
[104] M. Sarr, N. Bahlawane, D. Arl, M. Dossot, E. McRae, D. Lenoble, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 23385-23392.
-
[105] M. Sarr, N. Bahlawane, D. Arl, M. Dossot, E. McRae, D. Lenoble, Appl. Surf. Sci., 2016, 379, 523-529.
-
[106] J. Moon, H. J. Ahn, Y. Seo, T. I. Lee, C. K. Kim, I. C. Rho, C. H. Kim, W. S. Hwang, B. J. Cho, IEEE Trans. Electron Devices, 2016, 63, 1423-1427.
-
[107] A. Bertuch, B. D. Keller, N. Ferralis, J. C. Grossman, G. Sundaram, J. Vac. Sci. Technol. A, 2017, 35, 01B141.
-
[108] W. Xiong, Q. Guo, Z. Guo, H. Li, R. Zhao, Q. Chen, Z. Liu, X. Wang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 4297-4304.
-
[109] M. Wang, Z. Gao, B. Zhang, H. Yang, Y. Qiao, S. Chen, H. Ge, J. Zhang, Y. Qin, Chem.-Eur. J., 2016, 22, 8438-8443.
-
[110] Z. Gao, M. Dong, G. Wang, P. Sheng, Z. Wu, H. Yang, B. Zhang, G. Wang, J. Wang, Y. Qin, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9006-9010.
-
计量
- PDF下载量: 27
- 文章访问数: 3824
- HTML全文浏览量: 332