武剛教授團隊Adv. Mater.：可持續的水、氮循環向清潔能源出發

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

地球是人類賴以生存的家園，但她正在承受著能源資源短缺、水體汙染、大氣汙染、創紀錄南極高溫、北極積雪冰川變色等能源與環境問題。為了延續生存，《流浪地球》給地球裝上了發動機，實施長達兩千五百年的流浪計劃來尋求新的星系作為人類的家園。那麼作為科研工作者，在尋求能源與環境的可持續發展，逐步擺脫對化石燃料能源的依賴問題上，我們能做什麼呢？

近日，紐約州立大學布法羅分校的武剛教授（點擊查看介紹）團隊在Advanced Materials 上以「Advanced Electrocatalysis for Energy and Environmental Sustainability via Water and Nitrogen Reactions」為題發表綜述，文中提出了清潔、可持續的水循環和氮循環，將無碳綠色氫、綠色氨新能源技術結合在一起，為實現可再生能源的存儲和再利用提供了新思路。哈爾濱工業大學徐平教授為共同通訊作者，博士研究生李毅和王換換為共同第一作者。

該綜述的出發點是將所涉及的電解水產氫、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、電化學合成氨和直接氨燃料電池（DAFC）技術中的關鍵催化反應有機地結合在一起，強調先進催化反應的重要性。文中介紹利用太陽能、風能和水能發電，通過電解水產生氫氣、利用氮氣和水通過電化學合成氨氣，所產生的氫氣和氨氣可作為燃料直接用於燃料電池發電，供機動車輛和居民用電等，且最終產物仍是氮氣和水。這些新能源技術的核心涉及了關鍵的催化反應，包括析氧反應（OER）、氧還原反應（ORR）、氮還原反應（NRR）和氨氧化反應（AOR）。然而，這些催化反應的動力學緩慢，需要克服很高的過電位，在苛刻的氧化或還原實際運行條件下對催化劑材料的要求非常高。

水、氮反應實現能源與環境的可持續性發展。圖片來源：Adv. Mater./武剛教授團隊

鑑於此，該綜述系統介紹了納米催化劑材料在以上關鍵電催化反應中的最新研究進展。質子交換膜的成熟應用使PEM電解槽和PEMFC技術更具有商業價值，文中強調OER和ORR催化劑在酸性介質中的研究現狀；另外，鹼性介質對NRR，特別是AOR催化反應更有利，作者進一步強調了NRR和AOR催化劑在鹼性介質中的研究現狀。催化劑的介紹主要從貴金屬（PGM）和非貴金屬（PGM-free）材料層面作出總結，結合代表性工作分析了催化劑的設計和合成策略、催化機理、材料結構和催化性能關係、催化劑失活的原因等，並概述了目前提高催化劑活性和穩定性的方法。由於催化劑的潤溼、活性位點的利用率以及催化劑、電解液和反應氣體三相界面與常規電化學測試大不相同，更加複雜，因此，考察催化劑材料在器件中的實際應用非常重要。文中重點強調了膜電極組裝（MEA）技術的發展對推動這些新能源器件實現商業化發展的重要意義，指出將催化劑研究與MEA技術發展相結合，深入探討催化劑在器件中所涉及的氣體擴散、電荷轉移、質子傳輸、導電性等關鍵科學問題。最後概述了電解水產氫、PEMFC、電化學合成氨和DAFC以及與它們相關的先進OER、ORR、NRR和AOR催化劑材料在未來發展中的機遇和挑戰。未來可期，本綜述從無碳水循環和氮循環的角度出發，為實現全球清潔能源夢提供了一種新思路。

先進異質結催化劑（PGM和PGM-free）的合成策略。圖片來源：Adv. Mater./武剛教授團隊

Advanced Electrocatalysis for Energy and Environmental Sustainability via Water and Nitrogen Reactions

Yi Li, Huanhuan Wang, Cameron Priest, Siwei Li, Ping Xu, Gang Wu

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000381

導師介紹

武剛教授的研究領域是電化學能源科學與技術。他於2004年在哈爾濱工業大學電化學工程專業獲得博士學位，之後在清華大學（2004-2006），美國南卡羅萊納大學（2006-2008），美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室（2008-2010）從事博士後研究工作。2010年他晉升為該國家實驗室的永久研究員。2014年他加入紐約州立布法羅大學的化學工程系任助理教授(assistant professor)，開始了他獨立的學術生涯。自從2014年，他的研究課題組獲得美國能源部和國家自然基金資助超過四百萬美元。由於他的傑出貢獻，2018和2020年提前晉升為該校的終身副教授和正教授。他發展的非貴金屬催化劑被廣泛認為是燃料電池催化劑研究的重大突破，使昂貴的鉑金催化劑能夠被廉價的材料所取代成為可能。這項工作，他以第一作者於2011年發表在《科學》雜誌，並受到了廣泛的關注(引用超過3100次)。同時他的研究還廣泛的涉及到目前的學術研究熱點，可再生能源的開發和利用，特別是電化學能源轉化和存儲, 以及光電催化和先進材料的研究。他已經在國際學術期刊發表論文250多篇包括 Science, Nature Catalysis, JACS, Advanced Materials, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Nano Letters, Materials Today, Nano Today 和Advanced Energy Materials。他的工作被國際同行引用超過23000次 [h index: 76]。2018和2019年連續被評為科睿唯安高被引科學家。

武剛

https://www.x-mol.com/university/faculty/49567

課題組主頁

http://www.cbe.buffalo.edu/wu