将地球丰量小分子转化为高附加值化学品

　　以空气（氮气，氧气）、水、海水（NaCl）和甲烷为代表的地球丰量小分子是人类可以大规模、零成本或超低成本获取的，可用于制备大宗化学品，例如氨（NH3）、双氧水（H2O2）、氢气（H2）、氯气（Cl2）和醇类（例如甲醇）的主要原料。如图1所示， 氨、氯气、双氧水和甲醇都是世界年产量千万吨到亿吨级的大宗化学品，是人类社会赖以发展的基础原料。所以利用清洁能源驱动，通过电化学反应将上述丰量小分子电化学转换为相应的高附加值产物，无疑具有巨大的社会和环境效益。其一方面有利于构筑新型的清洁能源存储与转换系统，另一方面可实现更高效绿色合成上述大宗化学品。针对上述构想，开发相应高效电化学器件业已引起重视，而其中的核心之一则是高性能电催化剂。过去十年，基于二维材料的电催化剂在燃料电池（ORR和HOR）、电解水（OER和HER）、金属空气电池（ORR/OER）和二氧化碳还原（CO2RR）等电极反应取得广泛进展。而最近两年，二维电催化剂在上述新兴电化学反应中也取得了重要突破，相信在未来会扮演更重要的角色。近日，格里菲斯大学清洁能源与环境中心赵惠军教授课题组，对二维电催化剂的最新进展进行了综述，主要包括氮气还原制氨（N2 → NH3）、两电子氧气还原制双氧水（O2 → H2O2）、甲烷部分氧化制备甲醇（CH4 → CH3OH）以及氯离子氧化制氯气（Cl-→Cl2）等新兴反应。

图1. (a) 氨气、氯气、双氧水和甲醇的年生产量；(b) 空气（氮气，氧气）、水、海水（NaCl）和甲烷为代表的地球丰量小分子；(c)将上述丰量小分子电化学转换为相应的高附加值产物的电化学反应。

　　综述首先对电化学转化地球丰量小分子为高附加值化学品的重要性和前景进行了扼要介绍。并阐述了二维电催化剂的发展脉络和结构设计策略，突出了二维材料对于其他维度材料的优势。如图2所示，文中总结了二维电催化不同维度的结构调控策略，这部分内容有助于系统的了解二维材料在电催化领域的应用现状。

图2. 二维催化剂结构调控策略。

　　综述接下来对每一反应，包括氮气还原（NRR）、两电子氧气还原（2e-ORR）、甲烷部分氧化制备甲醇（MPOR）和氯气生成（CER）的基本反应途径，相关电催化剂研究现状和设计策略进行介绍，重点综述了二维催化剂在上述反应的研究进展，同时也展望了有前景的二维催化剂设计策略。例如图3所示，文中总结了目前报道的二维NRR催化剂性能，当前催化剂集中于石墨烯/炔、C3N4、MoS2、MXene、黑磷以及超薄Bi纳米片等二维材料。文中重点突出和总结了理论预测但尚未被合成的二维NRR催化剂体系，作者认为大规模理论筛其它二维材料将会促进高效催化剂的设计与合成。又如图4所示，作者总结了2e-ORR的主要反应途径，提出了相对于4e-ORR不同的催化剂设计策略。对于MPOR和CER，由于相关电催化剂案例较少，文章前瞻性的总结了发展概况，并着重展望了二维电催化剂在这两个反应的应用前景。

图3. 目前报道的二维NRR催化剂性能总结。

图4. 2e/4e ORR的主要反应途径。

　　作者相信上述新兴电化学反应即将成为二维电催化剂的新舞台。本文发表在Advanced Materials，文章第一作者是格里菲斯大学博士后尹华杰博士，共同通讯为格里菲斯大学讲师刘珀润博士。