陈钉 科研留声机 2024年09月14日 12:51 四川
第一作者：陈钉
通讯作者：木士春 通讯单位：武汉理工大学
论文DOI：10.1002/adma.202408285
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制备方法上的突破往往能使人们获得所期盼的功能材料。而在能源转化领域，迫切需要设计和构筑高效的催化剂，以满足商业应用的需求。为此，本文重点评述了熔融盐辅助合成(MSAS)方法。该方法结合了传统固相和液相合成催化剂的优点，不仅提供了足够的动力学可及性，而且还有效地控制了产物的尺寸、形貌和晶体特征，具有很好的应用前景。本文首先分析了熔盐体系的选择性、关键作用及熔盐辅助的机理；然后，详细介绍了MSAS在制备催化剂方面的相关应用；最后，指出了MSAS方法面临的挑战及应对方法，并对未来MSAS的发展进行了展望。无疑，这一系统的评述和见解将促进人们对MSAS的更全面认识，并进一步促进新型高效催化剂的研究、开发和生产。
关键内容
01 选择合适的熔盐体系
在使用MSAS策略制备催化剂之前，对熔盐体系进行合理的选择至关重要。在本节中，作者结合熔盐的基本性质、产品的组成和结构，以及反应的经济性和安全性对如何选择合适的熔盐体系进行了详细的论证。
图1. 常见的熔盐体系
02 熔盐的关键作用
通过对熔盐辅助合成机理的探索，熔盐作为介质在整个反应中的关键作用被逐一解析。这里将熔盐的关键作用归纳为五类：(1)提供均匀的液体环境；(2)形成有利的反应中间体；(3)产生强极性力；(4)剥落或蚀刻反应物；(5)调节产物的微观结构和晶体特征，并结合具体的例子进行了讨论和分析。
图2. 熔盐的关键作用
03熔盐辅助合成催化剂及其应用
迄今为止，通过MSAS方法合成的材料被广泛应用于各个领域。根据上述熔盐的关键作用，可以得出MSAS非常适合用于催化剂的制备。本节重点研究了熔盐辅助催化剂的合成及其在HER（图3）、OER（图4）、ORR（图5）等电催化领域的应用。
图3. 熔盐辅助合成催化剂在HER中的应用
图4. 熔盐辅助合成催化剂在OER中的应用
图5. 熔盐辅助合成催化剂在ORR中的应用
04 关键问题及对策
尽管在MSAS制备催化剂方面取得了重要进展，仍存在一些挑战需要解决。本节对此进行了分析和讨论。
(1) 由于MSAS的化学原理与传统湿化学途径存在明显差异，因此不能简单地用已有的经验来理解熔盐的作用机理。但熔融过程中所涉及的高温和腐蚀环境严重阻碍了相关原位表征技术对机理的揭示。因此，为了推广和深化MSAS方法，开发更多的原位表征技术至关重要。
(2) MSAS在制备催化剂方面的一个重要优势是其具有调节颗粒形态、大小、结晶度和晶面选择性的能力，这对提高催化性能和探索催化构效关系非常有利。然而，目前还缺乏明确的理论指导，包括如何选择前驱体和熔盐的类型，以及如何确定反应温度和时间等实验参数。因此，有必要结合原位表征和DFT计算，系统建立材料生长与前驱体类型、熔盐基本性质、反应条件之间的关系。
(3) 采用MSAS方法获得催化剂时，应仔细考虑产物的质量控制。因为虽然大多数盐可以用水或其他溶剂洗涤去除，但很难避免少量盐离子和产物通过插层、固溶体等形式最终残留在催化剂中。因此，在充分利用MSAS优势的同时，还须要认识到，熔融盐与产物之间的高度相互作用所导致的掺杂可能是MSAS合成催化剂的潜在问题之一。
(4) 实验室规模熔盐合成是一个相对绿色的过程，其中盐的回收、尾气的处理及反应位点的选择都相对简单。但是，要想将MSAS扩大到产业规模，还需要克服大量的技术障碍。因此，对于大规模熔盐合成，可能需要建立适当的系统，以降低能耗，避免结垢导致产品质量下降。
总结与展望
综上所述，熔融盐辅助合成(MSAS)方法结合了传统液相和固相合成的优点，极大地丰富了相关重要催化剂的生成途径，包括单原子、二维材料和Pt族金属(PGMs)化合物。在前人研究的基础上，本文认为通过采用合理选择熔盐体系可以充分利用其特定的功能，包括提供均匀的液体环境、形成有利的反应中间体、产生强极性力、剥离或蚀刻反应物质、调节产物的微观结构和晶体平面特征，构建适合HER，OER，ORR等电催化的催化材料。此外，本文还明确了目前MSAS所面临的挑战，并提出了对策。未来，清洁可再生能源及相关的电化学能量转换系统必将具有广阔的发展前景。在这一过程中，催化剂的开发至关重要。MSAS方法将在这一领域发挥重要作用，成为学界和产业界共同的研究热点。因此，这一评述能够为进一步探索MSAS提供一些有益的见解。
课题组介绍
陈钉，武汉理工大学木士春教授课题组2021级博士研究生，主要研究方向为催化剂的设计合成与催化机制。目前以第一作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等期刊上发表20余篇高质量学术论文。
木士春，武汉理工大学首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期致力于质子交换膜燃电池和电解水催化剂研究。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等国内外期刊上发表300余篇高质量学术论文。
木士春研究团队主页：http://shichunmu.polymer.cn/
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202408285