全文速览
多相催化剂包括金属纳米颗粒(NPs)和固体载体，广泛应用于清洁和可持续能源的热催化和电催化领域。多孔碳、石墨烯和金属氧化物是分散金属NPs的常用支撑材料。可以产生具有不同粒径、组成、形貌和金属-支撑相互作用的负载金属基催化剂，从而表现出不同的催化性能。
然而，由于 金属颗粒的团聚、聚结和Ostwald熟化（注 ： 由于较小颗粒消溶而较大颗粒继续长大因而颗粒平均尺寸增大） 而遇到的性能不稳定和容易失活是阻碍其广泛应用的巨大障碍。在高温和苛刻的反应条件下，即在氧化性和腐蚀性的环境中，催化剂的失活会变得更加严重。需要创新的设计和优化的策略，来满足提高支撑金属催化剂催化性能的要求。
聚合物电解质燃料电池(PEFCs)和水电解槽(WECs)中的电化学转化反应的高效和长期耐久性一直是可再生能源生产、转化和存储的热点。在PEFCs中，氧(O 2 )还原反应(ORR)通过直接的4电子途径产生水，或通过在阴极上形成过氧化氢的2电子途径。燃料分子的氧化，即氢（H 2 ）氧化反应(HOR)，在燃料电池的阳极侧进行。另一方面，将电力转化为可再生能源的WECs涉及 H 2 和 O 2 演化半反应(HER和OER)，其运行原理与PEFCs的运行原理相反。
目前，铂(Pt)基金属(PGMs)是最活跃的最先进的电催化剂，尽管3d过渡金属纳米材料是PGM的有前途的替代品。除了PGM催化剂的高价和稀缺性外，ORR和OER的动力学非常缓慢，以及它们复杂的反应途径，阻碍了电化学器件的广泛应用和商业化。另一方面，以氢驱动的PEFCs为例，酸性电解质中的HOR活性比碱性溶液中(pH依赖的活性)高几个数量级。当在酸性介质时，允许阳极催化剂上的超低负载（≤0.05 mg Pt cm - 2 ）。然而，Pt的不稳定性和降解程度依赖于催化剂的特性（如颗粒尺寸、晶体结构、负载）和操作条件（电解质、限制电位、温度等），仍然是重要的性能限制因素。在电催化剂的设计过程中，在实际应用电极催化剂之前，需要克服 活性增强与内在不稳定性之间的权衡关系 。
减少PGMs的使用和开发电化学高活性和耐用的材料是能量转换和存储器件的深入研究的主要课题。在众多的努力中， Pt与第二过渡金属(即Fe、Co、Ni、Ni、Cu、Zn)的合金化和制造核壳纳米结构(其中Pt在更丰富的金属核上形成超薄壳)已被证明有利于提高电化学性能。外源过渡金属原子对金属电子表面结构的改变和金属纳米域界面上的晶格错配衍生应变都得到了改进。然而，由于热处理和催化反应过程中的烧结和脱合金问题，合成可控设计具有高比表面积的催化剂和保持金属颗粒的纳米结构并不容易。合金过渡金属或非PGM核的高溶解倾向往往需要精心选择过渡金属，精确调节铂的“皮肤”/骨骼，以及形态完整性和电子结构。
在开发具有增强催化性能的纳米材料方面， 建立有机/无机屏障或覆盖层 最似乎是有利的对策之一，它有望协调高活性和提高金属实体的稳定性。聚 合物和金属氧化物覆盖层 是典型的涂层，可以保护碳材料（常用的催化剂载体）免受电化学氧化和腐蚀，最终使合成的电催化剂具有耐用性。此外，表面涂层的多种功能为通过生成的 界面效应 提高纳米催化剂的电催化效率提供了大量的机会。
到目前为止，已经发表了一些关于高性能金属基催化剂的设计进展及其催化相关应用的综述。例如，Lenne等人综述了金属催化剂与有机配体的表面功能化及其对其表面性能和电氧化和还原反应的催化活性的影响。Yin研究小组的另一篇综述提到了封装金属催化剂的合成，主要报道的是热催化领域的相关工作。此外，还对通过表面约束和有机-无机混合概念设计的仅含ORR催化的铂基材料进行了综述。得益于先进的合成纳米技术和材料化学的不断创新发展， 表面涂层工程已成为开发最佳金属基催化剂的强大策略 ，以释放其在各种电催化过程中的应用潜力。因此 ，有必要综述 贵金属和非贵金属电催化剂表面包覆在PEFCs和WECs中各种重要电催化反应的潜在合成方法。
本文综述了电催化剂设计的通用表面涂层策略，特别介绍了其在PEFCs和WECs研究中的应用。具体来说，研究了 金属纳米颗粒表面的制备和载体材料（如碳和金属氧化物）的改性 。本文将 不介绍 高温固体氧化物燃料电池，尽管有许多工作是用金属氧化物覆盖层覆盖Pt电极，以稳定催化剂表面，提高其催化性能。接下来，我们讨论了PEFCs表面覆盖涂层衍生的高效电催化剂的进展，这些催化剂涉及电化学反应，如ORR、HOR和MOR/EOR（甲醇、乙醇燃料电池、DAFCs）和包括OER、HER和整体水分解的WECs。考虑了表面覆盖工程的后续好处，所研究的电催化剂包括贵金属和非贵金属基电催化剂。最后，我们描述了由表面覆盖工程制备的新兴异相催化剂的设计和深入开发的未来研究机会和前景。
图1 利用有机试剂/聚合物、无机碳纳米壳和金属氧化物作为高性能电催化的覆盖材料的各种覆盖方法
文献 链接
Catalyst overcoating engineering towards high-performance electrocatalysis.
https://doi.org/10.1039/D1CS00270H