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四川大學李盼盼課題組 Small：水凝膠衍生電催化劑在能源和環境中的應用

2024-09-20 來源：高分子科技

隨著工業化和城市化進程的加快，能源危機和環境污染問題日益嚴峻。電催化技術憑借其環保和高效的特點，在能源轉換和環境保護領域應用廣泛。然而，傳統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，具有分級多孔結構、組成和結構的可調性和易于功能化等優點，為高性能電催化劑的開發提供了新的思路。

近年來，四川大學李盼盼研究員課題組致力于水凝膠衍生電催化劑的開發與應用（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，近期，該團隊在《Small》上發表了題為“ Conductive Polymer Hydrogel-Derived Three-Dimensional Nanostructures for Energy and Environmental Electrocatalysis”的綜述性學術論文。文章從制備和改性策略，先進應用，關鍵前景等方面對導電聚合物衍生的電催化劑在能源和環境方向進行了詳細的討論（圖1）。該工作得到得到了中國國家自然科學基金（22476141、52202372 和 22304021）、四川省科技計劃（2023NSFSC0089）以及中央高校基本科研業務費（20826041H4212）的支持。

圖1 導電聚合物水凝膠在能源和環境電催化中的示意圖

本文首先介紹了制備和改性導電水凝膠的策略。導電聚合物水凝膠結合了導電聚合物的導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、水熱反應和模板法等（圖2）。接著，強調了先進表征技術在調節導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顯微鏡（SI-SECM）、X射線吸收近邊結構（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，提供了增強這些催化劑性能和效率的策略。此外，詳細總結了導電聚合物水凝膠衍生的三維納米結構在環境電催化和能源轉換中的應用。包括硝酸根還原（NitRR）、氧還原反應（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的未來潛力和挑戰，包括從高通量制備，高時空分辨表征技術到多場耦合應用，與此同時強調了這一領域正在進行的研究對于應對能源和環境挑戰的重要性（圖6）。

圖2 導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 導電聚合物水凝膠衍生的催化劑在硝酸根還原的應用

圖4 導電聚合物水凝膠衍生的催化劑在氧還原的應用

圖5 導電聚合物水凝膠衍生的催化劑在二氧化碳還原的應用

圖6 導電聚合物水凝膠衍生的關鍵發展和發展前景

文章全面總結了影響電催化劑活性和選擇性的關鍵調控策略，包括活性位點的密集度、配位環境的精細調控、摻雜原子的種類與濃度，以及納米簇的尺寸。重點聚焦于導電聚合物水凝膠衍生電催化劑在環境凈化和能源轉換領域的最新突破。這類水凝膠電催化劑因其易于功能化、擁有大比表面積、多級多孔結構和卓越的穩定性而備受矚目，促進了質量傳遞，增加了活性位點，從而顯著提升了電催化性能。這些優點有效應對能源和環境電催化領域的一系列挑戰，為開發更穩定、更高效且成本更低的電催化劑提供了新思路。總而言之，該文章不僅為讀者呈現了電催化技術的最新進展，而且激發了未來在追求可持續能源和環境解決方案方面的研究熱情，為相關領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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（責任編輯：xu）

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