外加物理场调控二维材料的HER和OER性能

doi:10.3866/PKU.WHXB202307059

物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (9): 2307059.doi: 10.3866/PKU.WHXB202307059

外加物理场调控二维材料的HER和OER性能

秦春玲¹, 陈爽¹, GomaaHassanien¹^,⁴, ShenashenMohamed A.³, El-SaftySherif A.³, 刘倩², 安翠华¹^,*(), 刘熙俊²^,*(), 邓齐波¹^,⁶^,*(), 胡宁¹^,⁵

¹ 河北工业大学材料科学与工程学院, 机械工程学院, 天津 300401
² 广西大学资源环境与材料学院, 省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室, 广西有色金属及特色材料加工重点实验室, 南宁 530004
³ Research Center for Macromolecules and Biomaterials, National Institute for Materials Science (NIMS), 1-2-1 Sengen, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken 305-0047, Japan
⁴ Department of Chemistry, Faculty of Science, Al-Azhar University, Assiut 71524, Egypt
⁵ 河北工业大学电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 天津 300130
⁶ 河北工业大学高端装备与结构技术研究院, 天津 300401

收稿日期:2023-07-30 修回日期:2023-09-23 录用日期:2023-09-27 发布日期:2023-10-16
通讯作者: Email: ancuihua@hebut.edu.cn (安翠华)xjliu@gxu.edu.cn (刘熙俊)qibodeng@hebut.edu.cn (邓齐波)
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Regulating HER and OER Performances of 2D Materials by the External Physical Fields

Chunling Qin¹, Shuang Chen¹, Hassanien Gomaa¹^,⁴, Mohamed A. Shenashen³, Sherif A. El-Safty³, Qian Liu², Cuihua An¹^,*(), Xijun Liu²^,*(), Qibo Deng¹^,⁶^,*(), Ning Hu¹^,⁵

¹ School of Mechanical Engineering, School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China
² State Key Laboratory of Featured Metal Materials and Life-Cycle Safety for Composite Structures, Guangxi Key Laboratory of Processing for Non-ferrous Metals and Featured Materials, School of Resources, Environment and Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China
³ Research Center for Macromolecules and Biomaterials, National Institute for Materials Science (NIMS), 1-2-1 Sengen, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken 305-0047, Japan
⁴ Department of Chemistry, Faculty of Science, Al-Azhar University, Assiut 71524, Egypt
⁵ State Key Laboratory of Reliability and Intelligence Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
⁶ Advanced Equipment Research Institute Co., Ltd. of Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China

Received:2023-07-30 Revised:2023-09-23 Accepted:2023-09-27 Published:2023-10-16
Contact: Email: ancuihua@hebut.edu.cn (Cuihua An)xjliu@gxu.edu.cn (Xijun Liu)qibodeng@hebut.edu.cn (Qibo Deng)
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摘要/Abstract

摘要：

长期以来，氢燃料一直被认为是一种有前途和可行的传统化石燃料的替代品，可以支撑我们未来的能源格局。电催化水分解是一种可用于大规模高效生产高纯度氢气的可持续和环保的技术。该技术的工业化需要我们不断地提高两个电极上的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的反应动力学。此外，催化剂催化活性和结构稳定性的持续优化对于该技术的实际实施同样关键。因此，合适的催化剂的选取是影响电催化水分解的关键因素之一。二维(2D)纳米材料由于其独特的物理化学性质和丰富的活性位点成为了电解水领域的热点。此外，2D材料独特的物理化学特性能与外加物理场之间高度契合，可以产生一些独特的效果来增强电催化性能。因此，近些年，外加物理场在辅助改善HER和OER方面的作用和机制越来越受到关注。外加物理场，如电场，磁场，应变，光，温度和超声波，可以应用于催化剂合成和电催化过程。本文首先总结了物理场辅助电解水催化剂合成的研究。随后，根据外场在电催化过程中作用机制的不同，对外场辅助HER和OER的研究进行了分类。最后，本文指出了本领域快速发展所面临的主要挑战和前景。

关键词: 外加物理场, 析氢反应, 析氧反应, 合成, 二维材料

Abstract:

Hydrogen fuel has long been considered a promising and practical alternative to conventional fossil fuels for shaping the future of our energy landscape. The electrocatalytic water-splitting technique, a sustainable and eco-friendly technology, provides a viable solution for efficiently and abundantly producing high-purity hydrogen on a large scale. However, practical applications of this technology require continuous improvement in the reaction kinetics for the hydrogen evolution reaction (HER) at the anode and the oxygen evolution reaction (OER) at the cathode. Additionally, ongoing optimization of the catalyst's catalytic activity and structural stability is crucial for the practical implementation of this technology. The selection of suitable catalysts is of paramount importance in water splitting. As a result, two-dimensional (2D) nanomaterials have become a focal point in water electrolysis due to their unique physicochemical properties and abundant active sites. The atomic thinness of 2D materials makes their electronic structure easily adjustable, allowing for the precise control of electrocatalytic performance through morphological modifications, defect engineering, phase transitions, cocatalyst deposition, and element doping. However, the complex system structure design and the potentially mutual interference of various chemical components could hinder further improvements in hydrogen evolution performance. Fortunately, the distinctive physicochemical characteristics of 2D materials can synergize with external physical fields, leading to enhanced electrocatalytic performance through distinct effects. For example, magnetic fields, electric fields, and light fields can induce thermal effects, effectively reducing charge transfer resistance and bubble coverage on the catalyst surface. Strain can regulate the d-band center, thus controlling adsorption energy. Moreover, the superposition of multiple physical fields and the multiple effects of a single physical field offer enormous potential for enhancing electrocatalytic performance. It is evident that the regulation of electrocatalytic performance through physical fields holds significant untapped potential. Consequently, the roles and mechanisms of external physical field assistance in HER and OER have garnered increasing attention. External fields such as electric fields, magnetic fields, strain, light, temperature, and ultrasound can be applied to synthesis and electrocatalysis. This paper first provides a summary of research on the synthesis of physical field-assisted electrolytic water catalysts. It then classifies studies on field-assisted HER and OER based on different mechanisms. Finally, it outlines the key challenges and prospects in this rapidly evolving research field.

Key words: External physical fields, HER, OER, Preparation, 2D materials

秦春玲, 陈爽, GomaaHassanien, ShenashenMohamed A., El-SaftySherif A., 刘倩, 安翠华, 刘熙俊, 邓齐波, 胡宁. 外加物理场调控二维材料的HER和OER性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9), 2307059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307059

Chunling Qin, Shuang Chen, Hassanien Gomaa, Mohamed A. Shenashen, Sherif A. El-Safty, Qian Liu, Cuihua An, Xijun Liu, Qibo Deng, Ning Hu. Regulating HER and OER Performances of 2D Materials by the External Physical Fields[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(9), 2307059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307059

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图/表 11

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外加物理场调控二维材料的HER和OER性能

Regulating HER and OER Performances of 2D Materials by the External Physical Fields

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