摘要
Defect engineering has become a promising approach to improve the performance of hydrogen evolution reaction(HER)catalysts.Non-noble transition metal-based catalysts(TMCs)have shown significant promise as effective alternatives to traditional platinum-group catalysts,attracting considerable attention.However,the industrial application of TMCs in electrocatalytic hydrogen production necessitates further optimization to boost both catalytic activity and stability.This review comprehensively examines the types,fabrication methods,and characterization techniques of various defects that enhance catalytic HER activity.Key advancements include optimizing defect concentration and distribution,coupling heteroatoms with vacancies,and leveraging the synergy between bond lengths and defects.In-depth discussions highlight the electronic structure and catalytic mechanisms elucidated through in-situ characterization and density functional theory calculations.Additionally,future directions are identified,exploring novel defect types,emphasizing precision synthesis methods,industrial-scale preparation techniques,and strategies to enhance structural stability and understanding the in-depth catalytic mechanism.This review aims to inspire further research and development in defect-engineered HER catalysts,providing pathways for high efficiency and cost-effectiveness in hydrogen production.
氢能作为一种清洁且可再生的能源,具有高能量密度和零排放的特性.目前,在已开发的多种制氢技术中,电解水制氢因其高灵活性和无碳排放而备受关注.当前电解水制氢催化剂主要依赖于稀缺且昂贵的铂族贵金属催化剂,这极大地限制了氢能的商业化应用.而非贵过渡金属基催化剂(TMCs)则面临活性位点密度低、催化性能差等问题.因此,为了提高能量转换效率并降低氢的制备成本,开发高活性、高稳定性的过渡金属基催化剂成为当前的研究热点.近年来,缺陷策略已被证实为一种有效提高催化剂活性的手段.因此,系统梳理和总结缺陷的研究进展及其催化作用机制对设计高性能电催化剂及缺陷催化在不同领域的应用具有重要意义.本文系统介绍了缺陷策略在电解水析氢催化剂(HER)中的最新研究进展.首先,总结了缺陷的种类和制备方法(如等离子刻蚀、高能球磨、引入牺牲剂原子、化学法和电化学法等),并讨论了不同制备方法在规模化制备等方面的优缺点.此外,针对缺陷的识别和表征,介绍了原位和非原位表征方法,包括球差校正透射电镜、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜、电子顺磁共振、X射线光电子能谱、原位拉曼、原位同步辐射等技术.随后,详细归纳了不同缺陷及混合缺陷在HER电催化剂中的应用,并揭示其催化作用机理,同时对缺陷电催化剂的稳定性进行了分析.此外,为了进一步提高催化剂性能,概括了三种协同机制来提高缺陷催化性能,包括优化缺陷浓度和分布、异质原子掺杂与空位之间的耦合以及原子键长与缺陷之间的协同作用.通过原位表征和密度泛函理论计算,揭示催化剂的活性位点及其电子结构和催化机制.最后,简要总结了缺陷策略所面临的挑战和未来的研究方向:(1)探索新的缺陷类型.开发新缺陷类型,以期为特定催化剂带来更好的催化活性和稳定性.(2)精准控制缺陷特征.当前技术难以实现缺陷种类、形状、分布和浓度的精准控制,需进一步研究以突破这一瓶颈.(3)规模化催化剂制备.优化现有的制备方法,解决在规模化生产中存在的催化剂均匀性等问题,提高生产效率.(4)提升催化剂稳定性.在复杂工况条件下,催化剂的稳定性研究仍需深入,以确保其长期高效运行.(5)深化催化机理研究理.鉴于电解水反应中催化剂活性位点的动态变化及实际催化条件的复杂性,需结合更多实验证据和理论模型,全面解析缺陷催化机制,为设计更高效、更稳定的催化剂提供科学依据.综上所述,本文系统总结了缺陷策略在HER催化剂方面的研究进展,包括缺陷种类、制备方法、缺陷的表征、具体应用、缺陷的协同催化作用以及前景和挑战.希望本文能推动相关研究人员进一步思考,并为推动缺陷催化剂在电解水领域的实际应用及缺陷策略的理论和技术进一步拓展提供一定的参考和借鉴.
