提升二维材料的电催化析氢和光催化析氢性能的策略

世界能源危机问题和环境问题日益突出,寻找低廉、易得且能够替代化石的清洁能源是目前研究的热点.氢气具有可再生性、安全、高能量密度、环境友好型等优点,因而成为替代化石燃料的首选.在众多途径中,电催化产氢和光催化产氢是目前应用较广且比较成熟的方法,其工艺过程简单、无污染,但由于效率较低或生产成本较高等因素,其大规模应用受到一定的限制.因此,开发高效的析氢催化剂意义重大.迄今为止,贵金属铂是公认的最好的析氢催化剂,但其稀有性和价格高阻碍了大规模的商业应用.因此,寻找高效、稳定、价格合理的析氢催化剂迫在眉睫.近年来,已研究和设计了很多析氢催化材料,其中,二维材料以其独特的物理化学性质(如电子在二维空间内快速移动、超薄结构、较大的比表面积等)引起了科学家的兴趣.但实际研究的二维材料的析氢性能与理论值相比还有很大的差距.因此,提高二维材料的导电性、增加活性位点、提高光电催化剂的循环稳定性是提升其性能的关键.本文综述了四种二维材料(二硫化钼、石墨烯、过渡金属碳氮化物、黑磷)在析氢方面的最新研究进展,包括(1)二维材料的合成方法,(2)二维材料析氢性能,(3)析氢催化机理.并从三个方面总结了提升二维材料析氢性能的策略:(1)缺陷位工程,(2)异质结策略,(3)金属及非金属杂原子掺杂.在提高二维材料的策略方面,本文着重讨论了d带理论、状态密度和费米能级,为更多二维析氢催化材料的制备提供了有效的指导.最后,本文分析了二维催化剂领域目前面临的问题和挑战,展望了未来的发展趋势.