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Microstructural engineering of two-dimensional clay-based materials for advanced electrochemical energy conversion

二維粘土基材料的微觀結構工程在先進電化學能源轉換中的應用

作者信息：

Ruiqian Zhang ^a, Binbin Qian ^b, Ke Xu ^b, Amir Said ^a, Kunfeng Chen ^c, Chunlei Yang ^a, Sridhar Komarneni ^d, Dongfeng Xue ^b *

aCenter for Photonics Information and Energy Materials, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055, China

b Shenzhen Institute for Advanced Study, University of Electronic Science and Technology of China, Shenzhen, 518110, China

c State Key Laboratory of Crystal Materials, Institute of Novel Semiconductors, Shandong University, Jinan, 250100, China

d Materials Research Institute and Department of Ecosystem Science and Management, 204 Energy and the Environment Laboratory, The Pennsylvania State University, University Park, PA, 16802, USA

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100016

文章介紹：

現代工業發展面臨著能源消耗和環境退化日益嚴峻的挑戰。為應對這些問題，推進清潔和可持續能源技術至關重要。然而，太陽能間歇性、氣候變化、水文變異以及風力的不規律等不可控因素阻礙了可再生能源的儲存和高效利用。克服這些制約因素，將自然能源波動轉化為穩定、可擴展的能源系統，是未來發展的關鍵。在各種可再生能源中，氫能因其高能量密度、可持續性和零排放特性脫穎而出。氫能廣泛應用于交通運輸、工業過程和電力生成等領域。在能源轉型的時代，氫能有望在實現可持續發展中發揮變革性作用。

氫氣演化反應（HER）、氧氣演化反應（OER）和氧還原反應（ORR）等能源轉換技術的關鍵在于電催化材料。貴金屬催化劑（如鉑、銠、銥）由于其卓越的性能，已廣泛應用于能源轉換。然而，貴金屬的高成本成為能源發展的重大障礙。

粘土基材料因其優異的物理化學特性、成本效益、自然豐富性和優良的熱力學穩定性，已成為能源轉換應用中極具前景的候選材料。其中，二維粘土基材料如蒙脫石（MMT）、蛭石（VMT）和層狀雙氫氧化物（LDHs）尤其以其高比表面積和復雜的多孔結構而聞名。這些二維粘土基材料的特點顯著提高了電解質的可達性，并促進了離子快速傳輸，使其在多種能源技術中具有理想的應用前景。然而，粘土基材料固有的低電子導電性和有限的活性位點密度在一定程度上制約了其催化效率。此外，它們強烈的自聚集傾向加劇了這些限制，減少了催化活性表面的可用性，并阻礙了反應動力學。克服這些障礙仍是推動粘土基材料在下一代能源系統中應用的關鍵。為應對這些挑戰，研究人員提出了一系列創新的改性策略：通過離子交換、層間擴展和表面功能化來改善結構和化學特性；集成石墨烯或碳納米管等導電材料并引入異原子摻雜以增強電子導電性；采用模板法或自組裝方法創建分級多孔結構，從而改善活性物質的分散。這些方法旨在優化粘土材料的自旋配置、軌道雜化和晶格穩定性，釋放其在電化學能源轉換應用中的全部潛力。

二維粘土基材料展現出作為高效催化劑的巨大潛力，但仍需進一步的改性和研究。通過微觀結構工程，二維粘土基材料可以顯著提高其催化活性，成為貴金屬催化劑的理想替代品。本文討論了典型二維粘土材料（如MMT、VMT和LDHs）的結構特征和微觀結構工程。系統分析了提高二維粘土基材料催化性能的各種微觀結構工程方法，包括通過離子交換調節電子態、通過層間擴展增加活性位點的可達性、通過缺陷工程引入表面空位以及通過異原子摻雜優化電子結構。最后，回顧了粘土基材料在電化學水分解中的最新進展，并展望了二維粘土基催化劑的前景。

中文摘要：
二維粘土基材料在氫氣演化反應（HER）、氧氣演化反應（OER）和氧還原反應（ORR）等關鍵電化學過程中的潛力已得到顯著認可。二維粘土基材料具有內在的優勢，如多孔結構、可調節的比表面積、優異的熱力學和機械穩定性、豐富的資源以及成本效益。然而，二維粘土基材料的電催化活性有限，仍然是一個主要挑戰。這個問題與微觀結構密切相關，包括自旋狀態、軌道雜化、能帶對齊和晶格穩定性。本文探討了改性二維粘土基材料與催化性能之間的關系，總結了缺陷工程和異原子摻雜等策略，以增強軌道重疊，從而提高HER、OER和ORR的催化活性。最后，本文討論了粘土基材料的發展前景，強調了結合先進計算與實驗技術在推動能源轉換材料創新中的關鍵作用。