纳米人-EES:无热解聚合物基氧电催化剂

EES:无热解聚合物基氧电催化剂

雨辰雨辰 2021-03-25

高性能电催化剂在各种可持续能源转换和存储技术中发挥着至关重要的作用。尽管大量的碳基材料已经被开发出来，并表现出堪比贵金属催化剂的高效电催化能力，但是所获得的模糊结构严重妨碍了对电催化性质的理解。无热解聚合物因其高密度的均匀结构单元、可定制的化学结构和多样的拓扑结构而成为一种具有竞争力的材料，在各种重要的反应中表现出良好的催化性能。特别是，没有热解过程保证了活性位点保存完好，为机理研究奠定了坚实的基础。

有鉴于此，南昌大学陈义旺教授和袁凯教授等人，综述了用于氧电催化的无热解聚合物的最新进展，包括多孔有机聚合物，金属有机骨架和线性共轭聚合物。

本文要点

1）总结了工程策略及其对提高电催化性能的影响，特别是电子结构工程和杂化协同效应对电催化性能的影响。最后，进一步讨论了在不进行热解的情况下最大化聚合物基电催化剂的优势的当前挑战和未来方向。

2）与传统的碳质电催化剂相比，无热解聚合物基电催化剂具有其独特的优势：i）精确且可预先设计的聚合物结构（POP，MOF和LCP）为理解结构-催化活性关系和基础机理研究提供了更好的平台； ii）高度可调的多孔结构（比表面积和孔径分布）有利于传质，极大地促进电催化位点的可及性； iii）聚合物的高物理和化学稳定性使它们能够在多种介质中进行电催化反应； iv）由于广泛的结构单元选择，可以通过自下而上或/和后合成策略来安装聚合物中的电催化活性位等。

3）尽管具有优异性能的无热解聚合物基电催化剂还有待进一步开发，但这类新一代催化材料已经显示出无限的前景，甚至有可能替代贵金属催化剂。无热解电催化剂容易建立高活性位点密度，并且可以通过改变结构单元来优化每个位点的内在活性。精心设计或选择掺杂剂、结构单元以及引入适当的取代基可以显著提高电催化性能。对于不含贵金属的无热解聚合物，可以很容易地在一定的大环结构中取代不同的过渡金属，例如卟啉，酞菁、corrole等。此外，通过二级结构单元的相互作用，各种金属位点被成功地掺入到聚合物骨架中。因此，选择合适的中心金属原子是调控本构催化活性的有效策略，因为金属中心的合适d轨道可以加速O-中间体的转化。此外，聚合物基催化剂比单体分子具有更好的耐酸性能，显示了在燃料电池中的实际应用潜力。此外，聚合物基材料与高导电衬底的混合，如石墨烯和碳纳米管，也被用于提高电化学性能。

总之，该工作强调了无热解聚合物基电催化剂的重要性，以及由于其清晰的结构-活性关系，它们有可能成为制备高实用价值催化剂的重要材料。