Nasschemische Synthese von zweidimensionalen Metallnanomaterialien für die Elektrokatalyse
Zweidimensionale (2D) Metallnanomaterialien genießen aufgrund ihrer faszinierenden physikalisch-chemischen Eigenschaften und vielversprechenden Anwendungen, insbesondere im Bereich der Elektrokatalyse, ein stetig wachsendes Forschungsinteresse. Weil sie aber eine recht große Oberflächenenergie einer bestimmten, thermodynamisch ungünstigen Facette besitzen, ist ihre Synthese schwierig. Die in der nasschemischen Synthese verwendeten Kappungsmittel können die Oberflächenenergie der Nanomaterialien erheblich verringern und so das Wachstum entlang der spezifischen kristallinen Ausrichtung der Metallnanokristalle erleichtern. Daher ist die nasschemische Synthese unter Verwendung verschiedener Arten von Kappungsmitteln die leistungsfähigste Strategie zur kontrollierten Synthese von 2D-Metall-Nanomaterialien mit unterschiedlicher Morphologie, Dicke, Größe und Kristallphase in großem Maßstab. In einem in der Pekinger National Science Review veröffentlichten Übersichtsartikel geben Wissenschaftler der Shenzhen Institutes der City University of Hong Kong und der Nanyang Technological University einen Überblick über Fortschritte bei der nasschemischen Synthese von 2D-Metallnanomaterialien für elektrokatalytische Reaktionen und erläutern ihre Sichtweise.
Elektrolyseur (hinter Schutzscheiben in Bildmitte) im Duisburger Technikum von thyssenkrupp – Foto © thyssenkrupp/FHI
In der Übersicht stellen die Forscher kurz die jüngsten Fortschritte bei der nasschemischen Synthese von 2D-Metallnanomaterialien vor. Dann wird die katalytische Leistung von 2D-Metallnanomaterialien bei vielen elektrochemischen Reaktionen dargestellt. Abschließend fassen sie die aktuellen Herausforderungen zusammen und zeigen ihre Perspektiven für die Herstellung leistungsstarker 2D-Metall-Elektrokatalysatoren auf.
Angesichts der immer ernster werdenden globalen Energie- und Umweltkrise, die durch den übermäßigen Verbrauch nicht erneuerbarer fossiler Brennstoffe verursacht wird, ist es dringend erforderlich, saubere, effiziente und nachhaltige Energieumwandlungstechnologien zu entwickeln. Als eine der meistversprechenden Methoden zur Erzeugung sauberer Energie kann die Elektrokatalyse nicht brennbare Moleküle (z. B. Wasser und Kohlendioxid) effektiv in erneuerbare Brennstoffe umwandeln, darunter Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Alkohole und Kohlenwasserstoffe. Die größten Herausforderungen bei der Elektrokatalyse sind jedoch die träge Kinetik und die hohen Überspannungen bei elektrochemischen Reaktionen sowie die hohen Kosten und die geringe Stabilität der Elektrokatalysatoren. Daher ist die rationelle Entwicklung und Herstellung hocheffizienter und stabiler Katalysatoren für die elektrochemische Energieumwandlung, wie z. B. Brennstoffzellen, Metall-Luft-Batterien und Wasserelektrolyse, zu einer der wichtigsten Forschungsrichtungen geworden.
2D-Nanomaterialien wurden aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, ihrer freien baumelnden Bindungen und ihrer zahlreichen aktiven Stellen ausgiebig in der Elektrokatalyse untersucht. Bisher wurde eine große Anzahl neuartiger 2D-Elektrokatalysatoren synthetisiert, z. B. Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs), schwarzer Phosphor, hexagonales Bornitrid (h-BN), geschichtete Doppelhydroxide (LDHs), MXene, Polymere, metallorganische Gerüste (MOFs), kovalent-organische Gerüste (COFs), Metalle, Metalloxide usw.. Insbesondere 2D-Metallnanomaterialien haben aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und überlegenen katalytischen Aktivitäten in der Elektrokatalyse immer mehr an Bedeutung gewonnen. Es ist bekannt, dass es für Metalle, die von Natur aus nicht geschichtet sind, schwierig ist, spontan eine 2D-Morphologie zu bilden, da 2D-Metallnanostrukturen eine relativ große Oberflächenenergie einer spezifischen Facette besitzen, was thermodynamisch ungünstig ist. Wie bekannt, können die bei der nasschemischen Synthese verwendeten Capping-Mittel die Oberflächenenergie von Nanomaterialien stark reduzieren und so das Wachstum entlang bestimmter kristalliner Orientierungen von Metallnanokristallen erleichtern. Daher ist die nasschemische Synthesemethode unter Verwendung verschiedener Arten von Capping-Mitteln die leistungsfähigste Strategie zur Synthese von 2D-Metallnanomaterialien geworden.
In den vergangenen Jahrzehnten wurde eine Reihe von 2D-Edelmetall-Nanomaterialien, wie Au, Ag, Pt und Pd, erfolgreich synthetisiert. Die praktischen Anwendungen von 2D-Edelmetall-Nanomaterialien werden jedoch durch die hohen Kosten und die Knappheit der Edelmetalle stark behindert. Daher wurden enorme Anstrengungen zur Herstellung von 2D-Nichtedelmetall-Nanomaterialien und 2D-Metalllegierungen unternommen, die dann als leistungsstarke und kostengünstige Elektrokatalysatoren eingesetzt werden. Im Folgenden geben wir einen kurzen Überblick über die jüngsten Forschungsfortschritte bei der nasschemischen Synthese verschiedener 2D-Metallnanomaterialien und ihre Anwendungen in der Elektrokatalyse. Zunächst stellen wir die typischen nasschemischen Synthesemethoden für die Herstellung von 2D-Metallnanomaterialien (z. B. Edelmetalle, Nichtedelmetalle und Bimetalllegierungen) vor, wie z. B. ligandenunterstützte Synthese, gasmolekülunterstützte Synthese, Schablonensynthese, raumbegrenzte Synthese, Seeded-Growth-Synthese usw. Anschließend fassen wir die elektrokatalytischen Anwendungen von 2D-Metallnanomaterialien in der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), Ethanoloxidationsreaktion (EOR), Methanoloxidationsreaktion (MOR), Ameisensäureoxidationsreaktion (FAOR) und Kohlendioxidreduktionsreaktion (CO2RR) zusammen. Schließlich werden die Herausforderungen und unsere persönlichen Perspektiven für zukünftige Forschungsrichtungen vorgeschlagen.
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