石大&华科大JMCA综述文章：二维层状双金属氢氧化物 (LDH) 在电催化析氧中的应用】
【文章信息】
二维层状双金属氢氧化物 (LDH) 在电催化析氧中的应用
第一作者：郁洁
通讯作者：于锋*，王春栋*
单位：石河子大学，华中科技大学
【研究背景】
随着能源需求的不断增长和环境问题的日益恶化，氢能等绿色能源受到了人们的广泛关注。电催化析氧反应（OER）是电催化分解水制氢和金属-空气电池中的重要反应。在电催化分解水制氢反应过程中，阳极的的OER（四电子过程）相比于阴极的电催化析氢反应（HER）的两电子过程的反应动力学更为缓慢，严重制约了电催化分解水的进程。因此，迫切需要开发高活性、长寿命和低成本的OER催化剂。
【文章简介】
近日，石河子大学的于锋教授与华中科技大学的王春栋副教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Two-dimensional layered double hydroxide as a platform for electrocatalytic oxygen evolution”的综述文章。文章阐述了OER反应的机制，特别是在酸碱环境下机制的异同，讨论了理论计算及原位检测技术，回顾了不同的调控策略和结构功能化修饰手段，探讨了LDH的复合物及衍生化合物。最后，对包含OER反应的能量转换和储能器件进行了展望，提出了二维水滑石在OER电催化领域的发展方向。
【本文要点】
要点一：OER反应机理
OER在酸性和碱性电解质的反应机制是不同的。本文对酸性和碱性电解质环境下OER机理的异同进行了阐述，同时对OER机制进行了讨论，特别是吸附演化机制（AEM）和晶格氧参与机制（LOM)。为了深入了解催化剂的反应活性，围绕过电势及塔菲尔斜率进行了解读。最后，通过DFT理论计算和原位检测技术的相关工作，对LDH基材料的OER反应机理和原位表征方面进行了详细分析，有利于读者对OER反应机理更深一步的认识。
要点二：对LDHs修饰和功能化
LDH在目前应用广泛的二维材料，但还存在导电性低、结构稳定性不佳等缺点。为了解决这些问题，可以通过调整局部结构、添加缺陷工程和进行杂原子掺杂等功能化修饰方式来有效暴露更多的活性位点，从而提高LDHs基催化剂的导电性，促进其内在活性。
本文介绍了目前使用的修饰及功能化方法:（1) 通过剥层和缺陷工程对LDH结构进行修饰，暴露出更多的活性位点；（2) 通过元素掺杂和阴离子交换对LDH进行结构设计，在OER过程中改变了LDH的电子结构，促进反应中间体的生成；（3)从MOF等结构中衍生得到框架结构或者利用模板获得独特的空心结构，提高其导电性及比表面积。因此，对LDHs的修饰和功能化可以有效增加活性表面积，加速电子转移，从而提高OER活性。
要点三：LDH基衍生物及复合物
LDHs经一定方式处理后可以得到过渡金属氧化物、氮化物、磷酸盐等衍生物。与氢氧化物相比，LDH衍生物可以在较宽的pH范围内使用，具有广泛的应用前景。其中，适当加入极化阴离子（硫化、氮化等）可以优化活性中心的电子结构，调整原LDH的离子共价性质，促进反应物的吸附、产物的电子转移和解吸。实验证明，氧化、磷化及硒化也是调节电子结构、提高反应活性的有效方法。
此外，LDHs材料通过与其他具有优良导电性及功能化的材料进行结合形成复合材料。复合材料的独特设计为LDHs纳米片的生长提供了支持。本文对LDH的异质结构、含碳化合物和新兴的MXene基复合物进行了总结，发现复合材料的形成提高了电导率，其选择性可以提高LDHs复合材料的OER催化活性，具有很好的研究价值。
要点四：能量转换和储能器件
LDHs在碱性条件下具有优良的OER催化性能，具有广泛的应用。在全解水反应中，整个电池所需的电流电位越来越小，更小的电势意味着更高效的生产氢能；锌空电池使LDHs显示出更好的灵活性和可调性质。
此外，LDHs在人工光合作用领域也显示出广阔的应用前景。总而言之，将LDH材料组装成储能和电池应用设备，使我们能够利用现有的可再生资源来创造人类社会所需能源。然而，无论是在科学还是在工程上，这对我们来说都是一个长期的挑战和艰巨的任务。
要点四：前瞻
目前，制备新型单原子和复合LDHs电催化剂是开发新能源器件的一种有前景的途径。然而，为了获得最佳的电化学性能和稳定性，提高反应速率仍然具有挑战。优化反应动力学、控制活性中心的种类和数量具有良好的研究前景。众所周知，LDH在碱性电解质中有较好的性能，但在全pH范围内应用LDH基催化剂是必要的，这需要更多的努力。
通过进一步探索催化剂的反应机理和进行理论计算，将会取得更多研究进展。同时，为了深入分析反应中催化剂的结构变化，需要对原位检测技术的未来发展进行更多的探索。此外，还应注重将理论计算与实验结果相结合，深入探索反应机理。最后扩展LDHs基催化剂的应用，实现更多的储能及转换器件的推广，以加速其在商业市场中的应用。
【文章链接】
Two-dimensional layered double hydroxide as a platform for electrocatalytic oxygen evolution
http://dx.doi.org/10.1039/D0TA11910E
【通讯作者简介】
于锋教授简介： 于锋，男，博士，教授，博士生导师，国家级海外高层次人才。2010年毕业于中科院理化所，先后在NTU和A*STAR做博士后研究工作。2014年正式加入石河子大学，2015年入选国家级海外高层次人才计划，2016年&2019年入选兵团英才，“新疆蛭石特色矿产资源综合利用创新团队”负责人。主要从事新疆蛭石、能源与环境催化领域的基础和应用研究，主持和参与了国家863计划、国家自然科学基金等各类项目10余项，在GEE、JMCA、CEJ、Nano Energy等期刊发表SCI科研论文等100余篇，引用3300余次，H因子33。担任Nanomater.等期刊客座编辑和北京市国际合作基地特聘专家。
王春栋教授简介： 王春栋，男，博士，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心副教授、博士生导师。2013年毕业于香港城市大学物理与材料科学系；2013年-2015年先后在香港城市大学，比利时荷语鲁汶大学担任高级助理研究员，高级副研究员，鲁汶大学F+研究员，比利时FWO国家博士后。2015年加入华中科技大学光学与电子信息学院，任副教授至今。香港城市大学优秀博士论文奖获得者，澳门大学杰出访问学者，湖北省“楚天学者”计划楚天学子，华中卓越学者，国家重点研发计划（国际合作重点专项）项目负责人。主要研究方向是非贵金属电催化剂设计及应用研究。在Energy Environ. Sci.等国际刊物发表SCI论文130余篇，总引用3600余次，H因子35。
【第一作者介绍】
郁洁：女，硕士研究生，2019年毕业于石河子大学，获材料科学与工程学士学位。现为石河子大学化学工程与技术专业研究生，师从于锋教授。主要研究方向为二维水滑石材料在光电催化产氢中的应用。
【课题组介绍】
石河子大学于锋课题组紧紧围绕新疆蛭石和三废处理与资源化利中的催化问题，开展了“环境催化”方面的研究工作，致力于废气、废液与固废的开发与利用，变废为宝。主要的研究方向有：NOx、CO/CO2的捕捉、储存与转化；光催化降解染料废水与光电催化产氢；含碳含硅固废制备新型炭材料用于电化学能源储存与转化，例如，锂离子电池、超级电容器和燃料电池等。
华中科技大学王春栋课题组主要致力于电催化研究。主要研究方向如下：1. 低维固体材料中特殊电子态与本征物性的构效关系；2. 能源存储与转换器件及系统；3. 电催化反应动力学与电子调控; 4. 机器学习；
