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高等学校化学学报
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非热解共价有机聚合物基氧还原电催化材料
鲍春竹, 向中华
高等学校化学学报    2023, 44 (5): 20220715-.   DOI:10.7503/cjcu20220715
摘要   （300） HTML （13） PDF（pc） （16243KB）（107）  

在全球引入氢能技术助力实现碳中和目标的过程中, 高效、 低成本且长寿命的氧还原反应(ORR)阴极电催化剂具有重要作用. 近年来, 非贵金属催化剂的ORR催化活性和稳定性显著提高. 共价有机聚合物(COPs)因其可调节的孔隙率、 可修饰的骨架和周期性排列的有序结构而成为理想的分子结构定制的材料平台. 然而, 常用的高温热解合成策略中, 材料的结构变化不可预测, 真正的活性位点不明确, 阻碍了研究者对催化机理的深入探索. 非热解策略应运而生, 其可以充分发挥COP基材料可定制性的优势. 非热解COP基催化剂精确可控的结构能够为ORR催化机理的研究提供一个理想的模型, 从而指导设计催化性能更优秀的ORR电催化材料, 进一步促进材料的宏观制备. 本文从源头出发, 深入分析了ORR反应机理, 逐步归纳非热解COP基催化剂的设计原则和合成策略. 然后, 结合该领域内具有代表性的文献, 分析了非热解COP基材料电催化性能的影响因素, 系统阐述了非热解策略在ORR领域中的研究进展. 最后, 总结了本课题组对非热解COP基氧还原电催化材料的研究工作, 并进一步展望了非热解技术的发展前景及面临的挑战.



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Fig.8 The published supported type with pyrolysis⁃free mainly classified into graphene⁃based(A—C)[37,84,85], CNTs⁃based(D—F)[86—88] and other C⁃based(G—J)[89—91] materials
（A） Copyright 2018， Wiley-VCH； （B） Copyright 2019， the Royal Society of Chemistry； （C） Copyright 2019， American Association for the Advancement of Science； （D） Copyright 2020， Elsevier； （E） Copyright 2015， Elsevier； （F） Copyright 2014， American Chemical Society； （G， H） Copyright 2014， Elsevier； （I） Copyright 2017， Springer Nature； （J） Copyright 2015， the Royal Society of Chemistry.
正文中引用本图/表的段落
负载型非热解COP基催化材料的合成主要分为以下2个步骤： 首先， 通过“自下而上”的理念设计构筑明确的活性中心； 再利用电子共轭作用和范德华力相互作用等在催化活性中心与优良导体之间建立电子传递通道， 借助活性中心与导电载流子的协同作用， 制备催化能力和载流子输运能力兼具的负载型非热解COP基催化材料. 负载型非热解COP基催化材料在保留固有催化活性位点的同时， 进一步提高了材料的导电性和稳定性. 其中， 导电载体通常使用高导电性的二维材料， 其具有较大的比表面积、 高效的电荷迁移率和较高的热/化学稳定性， 是加速电荷从集电极向活性本征材料转移的理想支撑材料［75~80］. 一方面， 导电载体的结合可以调节金属中心的电子分布状态， 提高催化性能， 其优异的电荷迁移率也能够提高ORR过程中的电子传递效率［81，82］. 另一方面， 金属中心与导电载体间的强电子耦合还可以抑制大环的脱金属现象， 使杂化材料的ORR活性显著提高， 同时增强材料的稳固性， 降低反应中间体或副产物的腐蚀机率［83］. 常见的导电载体主要包括石墨烯［37，84，85］、 碳纳米管［86~88］及其它碳基材料［89~91］等（图8）.
（A） Copyright 2018， Wiley-VCH； （B） Copyright 2019， the Royal Society of Chemistry； （C） Copyright 2019， American Association for the Advancement of Science； （D） Copyright 2020， Elsevier； （E） Copyright 2015， Elsevier； （F） Copyright 2014， American Chemical Society； （G， H） Copyright 2014， Elsevier； （I） Copyright 2017， Springer Nature； （J） Copyright 2015， the Royal Society of Chemistry. ...
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... 负载型非热解COP基催化材料的合成主要分为以下2个步骤： 首先， 通过“自下而上”的理念设计构筑明确的活性中心； 再利用电子共轭作用和范德华力相互作用等在催化活性中心与优良导体之间建立电子传递通道， 借助活性中心与导电载流子的协同作用， 制备催化能力和载流子输运能力兼具的负载型非热解COP基催化材料. 负载型非热解COP基催化材料在保留固有催化活性位点的同时， 进一步提高了材料的导电性和稳定性. 其中， 导电载体通常使用高导电性的二维材料， 其具有较大的比表面积、 高效的电荷迁移率和较高的热/化学稳定性， 是加速电荷从集电极向活性本征材料转移的理想支撑材料［75~80］. 一方面， 导电载体的结合可以调节金属中心的电子分布状态， 提高催化性能， 其优异的电荷迁移率也能够提高ORR过程中的电子传递效率［81，82］. 另一方面， 金属中心与导电载体间的强电子耦合还可以抑制大环的脱金属现象， 使杂化材料的ORR活性显著提高， 同时增强材料的稳固性， 降低反应中间体或副产物的腐蚀机率［83］. 常见的导电载体主要包括石墨烯［37，84，85］、 碳纳米管［86~88］及其它碳基材料［89~91］等（图8）. ...

（A） Copyright 2018， Wiley-VCH； （B） Copyright 2019， the Royal Society of Chemistry； （C） Copyright 2019， American Association for the Advancement of Science； （D） Copyright 2020， Elsevier； （E） Copyright 2015， Elsevier； （F） Copyright 2014， American Chemical Society； （G， H） Copyright 2014， Elsevier； （I） Copyright 2017， Springer Nature； （J） Copyright 2015， the Royal Society of Chemistry. ...
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（A） Copyright 2018， Wiley-VCH； （B） Copyright 2019， the Royal Society of Chemistry； （C） Copyright 2019， American Association for the Advancement of Science； （D） Copyright 2020， Elsevier； （E） Copyright 2015， Elsevier； （F） Copyright 2014， American Chemical Society； （G， H） Copyright 2014， Elsevier； （I） Copyright 2017， Springer Nature； （J） Copyright 2015， the Royal Society of Chemistry. ...
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... 负载型非热解COP基催化材料的合成主要分为以下2个步骤： 首先， 通过“自下而上”的理念设计构筑明确的活性中心； 再利用电子共轭作用和范德华力相互作用等在催化活性中心与优良导体之间建立电子传递通道， 借助活性中心与导电载流子的协同作用， 制备催化能力和载流子输运能力兼具的负载型非热解COP基催化材料. 负载型非热解COP基催化材料在保留固有催化活性位点的同时， 进一步提高了材料的导电性和稳定性. 其中， 导电载体通常使用高导电性的二维材料， 其具有较大的比表面积、 高效的电荷迁移率和较高的热/化学稳定性， 是加速电荷从集电极向活性本征材料转移的理想支撑材料［75~80］. 一方面， 导电载体的结合可以调节金属中心的电子分布状态， 提高催化性能， 其优异的电荷迁移率也能够提高ORR过程中的电子传递效率［81，82］. 另一方面， 金属中心与导电载体间的强电子耦合还可以抑制大环的脱金属现象， 使杂化材料的ORR活性显著提高， 同时增强材料的稳固性， 降低反应中间体或副产物的腐蚀机率［83］. 常见的导电载体主要包括石墨烯［37，84，85］、 碳纳米管［86~88］及其它碳基材料［89~91］等（图8）. ...

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