Nasschemische Synthese von zweidimensionalen Metallelektrokatalysatoren

07.09.2021 - Hong Kong

Angesichts der zunehmend ernsten globalen Energiekrise, die durch den übermäßigen Verbrauch fossiler Brennstoffe verursacht wird, ist die Entwicklung sauberer, effizienter und nachhaltiger Energieumwandlungstechnologien äußerst wünschenswert. Die Elektrokatalyse ist eine der vielversprechendsten Methoden zur Erzeugung sauberer Energie. Die breite kommerzielle Anwendung der Elektrokatalyse wird jedoch durch die träge Kinetik der elektrochemischen Reaktionen sowie die hohen Kosten und die geringe Stabilität der Elektrokatalysatoren stark behindert. Daher sind das rationale Design und die Herstellung hocheffizienter und stabiler Elektrokatalysatoren zu einer der beliebtesten Forschungsrichtungen geworden. Bislang wurden 2D-Metallnanomaterialien aufgrund ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, ihrer zahlreichen aktiven Stellen, ihrer hohen Leitfähigkeit und ihrer hervorragenden intrinsischen katalytischen Aktivitäten in der Elektrokatalyse eingehend untersucht.

Bekanntlich ist es recht schwierig, 2D-Metallnanomaterialien zu synthetisieren, da 2D-Metallnanostrukturen eine recht große Oberflächenenergie einer bestimmten Facette besitzen, was thermodynamisch ungünstig ist. Die in der nasschemischen Synthese verwendeten Kappungsmittel können die Oberflächenenergie der Nanomaterialien erheblich verringern und so das Wachstum entlang der spezifischen kristallinen Ausrichtung der Metallnanokristalle erleichtern. Daher ist die nasschemische Synthese unter Verwendung verschiedener Arten von Kappungsmitteln die leistungsfähigste Strategie zur kontrollierten Synthese von 2D-Metall-Nanomaterialien mit unterschiedlicher Morphologie, Dicke, Größe und Kristallphase in großem Maßstab.

In einem neuen Übersichtsartikel, der in der in Peking ansässigen Zeitschrift National Science Review veröffentlicht wurde, geben Wissenschaftler der City University of Hong Kong und der Nanyang Technological University einen kurzen Überblick über die jüngsten Forschungsfortschritte bei der nasschemischen Synthese von 2D-Metallnanomaterialien für elektrokatalytische Reaktionen und erläutern ihre Sichtweise.

Die kontrollierte Synthese von 2D-Metallnanomaterialien mit der gewünschten Zusammensetzung, Größe, Dicke und Kristallphase ist für die Erforschung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften und verschiedenen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Die Autoren stellten zunächst die typischen nasschemischen Synthesemethoden für die Herstellung von 2D-Metallnanomaterialien(z. B. Edelmetalle, Nichtedelmetalle und Bimetalllegierungen) vor, wie z. B. ligandenunterstützte Synthese, gasmolekülunterstützte Synthese, Schablonensynthese, raumbegrenzte Synthese, Keimwachstumssynthese, usw. Da 2D-Metallnanomaterialien aufgrund ihrer strukturellen Vorzüge, wie z. B. ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, reichlich freiliegende oberflächenaktive Stellen und einzigartige elektronische Eigenschaften, ein enormes Forschungsinteresse geweckt haben, wurden die jüngsten Fortschritte bei der Verwendung von 2D-Metallnanomaterialien als Elektrokatalysatoren in verschiedenen elektrochemischen Reaktionen zusammengefasst, einschließlich Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), Ethanoloxidationsreaktion (EOR), Methanoloxidationsreaktion (MOR), Ameisensäureoxidationsreaktion (FAOR) und Kohlendioxidreduktionsreaktion (_CO2RR).

Obwohl enorme Anstrengungen für die Herstellung von 2D-Metall-Elektrokatalysatoren unternommen wurden, gibt es noch viele Herausforderungen. Ausgehend von den aktuellen Forschungsfortschritten schlagen die Autoren einige Herausforderungen und potenzielle Forschungsrichtungen vor, darunter 1) die Untersuchung der Bildungsmechanismen von 2D-Metallnanomaterialien mithilfe von In-situ-Charakterisierungen; 2) die Bereicherung der Bibliothek von 2D-Metallnanomaterialien; 3) die Feinabstimmung der Strukturen von 2D-Metallnanomaterialien.

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