可持續能源轉化和存儲裝置在現代能源系統中發揮著越來越重要的作用。作為其典型代表，燃料電池，水電解池，以及金屬空氣電池得到了廣泛的關注。開發用于其電極反應（氧還原反應（ORR）， 氧氧化反應（OER）, 氫生成反應（HER）的高效電催化劑是提升能源轉化效率的關鍵。碳基電催化劑具有來源廣泛，結構可調，高電導率，以及環境兼容等優點，因此被廣泛研究用于ORR/OER/ HER催化以及上述可持續能源裝置當中。由于科研人員的集體努力，近年來對碳基催化劑的理解和開發取得了很大的進展。▲ 圖2. 近年來碳基材料用于催化ORR/OER/HER的研究文獻數量。
近日香港科技大學王健博士，Francesco CIUCCI教授協同中科院工程熱物理研究所，西安交通大學，南京工業大學多家合作單位系統綜述了碳基催化劑用于可持續能源轉化的最新（2015-2020年）進展，涵蓋多種碳材料系統，以及其合成方法，性能調控策略，催化機理和性能分析。相關成果以“Carbon-based Electrocatalysts for Sustainable Energy Applications”為題發表在材料學國際頂級期刊Progress in Materials Science (IF = 31.56) 上。文章首先介紹了ORR/OER/HER催化的基礎知識，包括反應基元步驟和性能評價指標。接著詳細地闡述了目前常用的碳基催化劑的合成方法，包擴熱解法，水熱法，化學沉積法，球磨法，電弧放電法，涵蓋每種制備方法的詳細過程，影響因素以及優缺點分析。此外，使用兩種特殊前驅體（生物質 （biomass）和金屬有機框架 (MOFs)）來制備碳基催化劑得到了詳細的介紹。▲圖3. 酸性以及堿性溶液中ORR/OER/HER催化的基元步驟。
▲圖4.合成碳材料的常見方法示意圖：熱解，水熱，化學沉積，和球磨。
文章進而詳盡地綜述了4大類12小點方法來調控碳基催化劑的性能，包含異質原子摻雜（單原子摻雜，多原子摻雜，氮摻雜的活性位點研究，摻雜元素的空間分布，超級摻雜）， 表面功能化，內部缺陷以及邊緣調節，多孔結構（外模板法，自模板法），納米形狀調控 （打破MOFs制備碳的形狀限制）。▲圖5. 調控碳基催化劑性能的一些常用方法示意圖。
由于簡單無金屬碳的性能不盡人意，碳基材料經常和其他活性物質混合來提升性能。文章除了無金屬碳之外，也對各種碳混合物催化劑做了詳細的介紹，包括碳碳混合物，碳/C3N4 混合物，金屬修飾氮摻雜碳（M-N-C）, 碳基單原子催化劑，碳基多原子/多金屬催化劑，碳基金屬氧化物（鈣鈦礦型，尖晶石型，其他型）催化劑， 碳基碳化物，氮化物，硫化物，磷化物催化劑，以及自我支撐的碳基催化劑。文章對碳基材料用于ORR/OER/HER 催化以及燃料電池，水電解池，金屬空氣電池的最新進展做了詳細的綜述，同時提供了詳細的方法用以改善碳基材料的性能。并且對目前碳基催化劑商用所面臨的挑戰以及前景做了分析。文章提供了一個綜合性的平臺供讀者了解學習碳基催化劑，同時啟發科研人員共同努力加速碳基催化劑應用于可持續能源裝置當中。Wang, J., Kong, H., Zhang, J., Hao, Y., Shao, Z., Ciucci, F., Carbon-based Electrocatalysts for Sustainable Energy Applications, Progress in Materials Science (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100717
