过渡金属氧化物插层化学及其电催化应用的新进展

doi:10.7503/cjcu20220740

摘要/Abstract

摘要：

插层化学是指客体插入到主体形成插层化合物的过程. 近年来, 插层化学作为一种有效的材料结构修饰方法, 已广泛应用于电化学储能和转换领域. 过渡金属氧化物由于其结构和成分的可调性, 在插层性能和应用方面取得了很大进展, 但仍存在插层机理及性质变化原因不明确等问题. 本文首先对过渡金属氧化物的插层机理进行了综合评述, 分析归纳了常见的插层制备方法，然后总结了插层过渡金属氧化物在电催化中研究的最新进展, 最后对该领域未来面临的机遇和挑战进行了展望.

关键词: 插层化学, 过渡金属氧化物, 电催化

Abstract:

Intercalation chemistry describes the process by which a guest is intercalated into a host to form an intercalated compound. Intercalation chemistry， as an effective method to modify structures， has been intensively studied in recent centuries for electrocatalysis-based energy storage and conversion devices. Particularly， research on transition metal oxides（TMOs） has become an emerging frontier in intercalation chemistry because of their tunability in structure and composition. Nonetheless， confusions remain in the discovery of indefinable intercalation mechanism and unexplained properties change. In this paper， a first-ever in-depth description of the intercalation mechanism， which directly determines the potential of properties and applications， will be presented. We discuss the major synthesis strategies for TMOs intercalation compounds. We summarize the recent advances for electrocatalytic applications of intercalated TMOs. Moreover， this review will be concluded with a section on the future opportunities and challenges for intercalation of TMOs.

Key words: Intercalation chemistry, Transition metal oxide, Electrocatalysis

中图分类号:

O643

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Illustration of intercalation chemistry of transition metal oxides for electrocatalytic applications

Fig.2 Crystal structures of some representative host materials for intercalation（A） Cubic WO3/MoO3；（B） hexagonal WO3/MoO3；（C） VO2；（D） V2O5；（E） anatase TiO2；（F） TiO2（B）.

Fig.3 Structural representation of a double⁃layer in α⁃MoO3(A), Raman spectra of the MoO3 deposited on quartz(blue line), glass(red line), FTO(green line) and ITO(black line) substrates before(B) and after(C) H2 exposure[57], calculated energy difference of pristine h⁃WO3 and alkali⁃metal⁃intercalated(Na, K) h⁃WO3(D) and side view of optimized stable structures of Na0.33WO3 and K0.33WO3(E)[61], the calculated diffusion barriers of ions in the three vanadium oxides(F) and the energy profile for the diffusion in VO2(R)(G)[63]

Fig.4 Sequence of intercalation⁃induced phase transformations in V2O5(A)[34], the lattice parameters and the volume fractions of TTB and CTB phases as a function of x(B) and the temperature⁃composition phase diagram of TTB(C)[77], phase diagram of Li composition in anatase TiO2 with crystal size change based on the neutron diffraction results(D) and neutron diffraction patterns of maximum lithiated Li x TiO2 for different particle sizes(E, F)[81]（A） Copyright 2018， American Chemical Society；（B， C） Copyright 2017， Wiley-VCH；（D—F） Copyright 2007， American Chemical Society.

Fig.5 The schematic diagram of the contacted electron⁃proton co⁃doping mechanism with the metal⁃acid treatment to semiconductor(A), the resistance measurement for the Cu⁃acid⁃treated Cu⁃VO2 as the function of heated temperature in air(B) and hydrogenation effects induced by different metals(C)[95], discoloration effect and one⁃step synthesis of H x MO3 using liquid metal at room temperature(D), electrode potential of H x WO3 and eGaInSn in HCl solution with different concentrations(E) and photographs of powders and corresponding suspension in deionized water of initial WO3 and different H x WO3 powders(F)[17]

Fig.6 Schematic illustration of the device geometry for the ionic⁃liquid⁃gating experiment(A), carrier density ns(measured at 2 K) and fitting parameter f as a function of gating⁃voltage(VG)(B) and VG dependence of the lattice parameter(Doop) for a 20⁃nm⁃thick WO3 film and its estimated H⁃dopant concentration(x, blue squares) according to the chemical expansion(C)[102], the gating diagram of the VO2 device with drain, source, and gate electrodes(D), the reversible phase modulations by different voltages as a function of gating time(E) and a cycling resistance test plot at a sweep rate of 0.1 mV/s and a source⁃drain voltage of 0.3 V(F)[106]

Fig.7 Schematic illustration of the processes involved in H2 exchange with WO3(A), experimental curves of intercalation(low⁃pressure hydrogen mixture)(B) and deintercalation curves(vacuum atmosphere) at different temperatures(C)[18], schematic picture for the transition process between conventional TiO2 and black TiO2(D), light extinction coefficient as a function of ion implantation time(E), the absorption spectra of TiO2 film before and after 4 min H+ ion implantation and the recovered TiO2 film(F)[123]

Fig.8 Schematic of ZnO structure evolution by the voltage profile of Li electrochemical tuning method(A), comparisons of CO partial current densities between LiET⁃Zn and OD⁃Zn(B) and FEs of H2 and CO of LiET⁃Zn supported on glassy carbon electrode in CO2⁃saturated 0.1 mol/L KHCO3(C)[53], scheme of VLi⁃tuned [CuO4] sites that promote C⁃C coupling(D), corresponding energy diagrams of C⁃C coupling for pristine Li2CuO2(E) and Li2-x CuO2(F), LSV curves of Li2CuO2 and Li2-x CuO2 catalysts in flow cells with 1 mol/L KOH aqueous electrolyte and CO2 gas(G), the selectivity(H) and partial current density(I) for CO2⁃to⁃C2+ on the Li2-x CuO2⁃10 catalyst at various applied potentials[154]

Fig.9 OER catalytic activities of CoO/CNF in 0.1 mol/L KOH under different galvanostatic cycles(A), the Tafel plots of OER polarization curves(B) and electrochemical double layer capacitance of CoO/CNF under different cycles(C)[144], schematic representations of HOR catalysis by WO x mixed electron⁃proton conduction membrane interface(D), cyclic voltammogram of the Pt/WO x composite electrode(E) and steady⁃state HOR current density of the Pt/WO x composite electrode in the presence of gaseous impurities dissolved in the electrolyte(F)[178]

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