SmartMat |综述：碲基材料的纳米结构和催化原子工程及其在电化学能量转换中的作用

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文章简介

随着可再生和环保电化学能量转换系统的急剧发展，迫切需要制造耐用和高效的电催化剂，以解决超过热力学要求的高过电位的限制，以促进实际应用。近年来，具有独特化学、电子和拓扑特性的碲基纳米材料（Te NMs）已成为最有前途的电催化材料之一，包括Te衍生的纳米结构和过渡金属碲化物（TMT）。到目前为止，关于碲基纳米材料（Te NMs）的研究已经很多。为了实现高性能电催化剂的设计，已经开发了许多纳米结构和催化原子工程策略，如化学/物理/多重模板策略、杂原子掺杂、空位/缺陷工程和相工程。尽管一些综述简要描述了Te NMs的合成和性质，仍然很少有人关注用于电化学能量转换的工程Te NM的主题。因此，迫切需要对Te NMs进行全面综述，重点关注具有明确结构-功能关系的纳米结构和催化原子设计，为指导基于Te NMs的电催化的快速发展提供新的思路。四川大学程冲教授课题组系统总结了电化学能量转换工程技术NMs的主要进展。首先，讨论了Te NMs工程的策略和合成原理，并详细评论了从纳米结构到催化原子的相应电催化活性和稳定性，特别是化学/物理/多重模板策略、杂原子掺杂、空位/缺陷工程以及相工程。本文对不同Te NMs的催化机理和结构-性能相关性进行了特别的研究。然后，还仔细总结了Te NMs在电催化中的典型应用。最后，强调了Te NMs在电催化方面存在的主要挑战，并阐述了Te NMs作为电催化剂的发展方向。希望本研究能够为工程化Te NMs的纳米结构和催化原子在电催化中的应用提供新的认识，从而为未来促进Te NMs在电化学能源体系中的广泛应用提供新的研究。

图文导读

图1 (A) (i) TEM图像和(ii) Pt/Te纳米棒的SAED图谱。(iii) Pt/Te纳米棒和Pt/C的Pt 4f的XPS光谱。(iv) 不同催化剂的CVs。(B) (i) Pd/Te空心纳米棒的制备示意图。(ii) Pd/Te和其他样品的PXRD图案。(iii) Pd/Te的三维XPS光谱。(iv) 催化剂的循环伏安图。(C) (i) Fe-Mo/Te-2的HRTEM图像。(ii) Mo/Te和Fe-Mo/Te-2的Mo 3d XPS图谱。(iii)Mo/Te催化剂和(iv)Fe-Mo/Te-2催化剂的循环伏安试验曲线。

图2 (A) (i)电化学置换的示意图。(ii) TEM和(iii)多孔Pt NTs的HRTEM图像。(iv) Te NTs和(v) Pt NTs的XPS光谱。(B) (i) pCNT@Fe@GL的合成过程。(ii) pCNT和pCNT@GL的N2吸收等温线。(iii) 所制备的碳材料的N 1s XPS光谱。(iv) pCNT@Fe@GL的Fe 2p XPS光谱。(v) 不同催化剂的LSV曲线。(vi) pCNT@Fe1.5@GL的稳定性测试。

图3 (i) Pt NTs和Pd NWs的形成过程示意图。(ii) Te纳米线 (iii) Pd NWs，(iv) Pt NTs的TEM照片。(v) Pd NWs的XRD图谱。(B) (i) Pt|Te MNTs制备示意图。(ii) Pt|Te MNTs的TEM照片。(iii)催化剂的ORR极化曲线(插图为Tafel图)。(C) (i) HAADF-STEM image of 1.1 % Pt/Te. (ii)四个样品的Pt L3-edge XANES光谱。(iii)四种样品在R空间的Pt L3-edge EXAFS谱。(4)不同条件下1.1 % Pt/Te的Pt 4f XPS图谱。

图4  (A) (i) 多孔碳纳米纤维的合成过程示意图。(ii) 样品的N2吸收等温线（插入图为Z8-Te-1000的孔径分布图）。(iii) 所有样品的LSV曲线(B) (i) Nano-Z67/NwTe-750形成的说明性图像。(ii) Nano-Z67/NwTe-750的N 1s XPS谱。(iii) 样品的Co K-edge XANES光谱。(C) (i) N-CNFs的合成过程。(ii) HTC N-CNFs气凝胶的SEM图像。(iii) 不同样品的BET表面积。(iv) 所有样品的XPS全谱。(v) 催化剂的LSV曲线。(vi) N-CNFs-900-4h的Koutecky-Levich图。

图5 (A) (i) 样品制备示意图。(ii, iii) Ru-NC-800样品的TEM图像，比例尺分别为500 nm和5 nm。(iv) Ru-NC-800的HAADF-STEM图像，比例尺为1 nm。(v) Ru-NC-700的扩展X射线吸收精细结构数据的傅里叶变换。(vi) Ru-NC-T的LSV曲线。(B) (i) 样品的制备示意图。(ii, iii) Pt-NC-3的HAADF-STEM图像。(iv) PtCo-NC-3的EDS元素图谱。(v) Pt-Co-NC样品的结构模型。

图6 (A) (i) Co Te@NCNTFs的SEM和(ii) TEM照片。(iii)不同样品的极化曲线。(iv)恒电位下35 h曲线。(B) (i) o-CoTe2|P@HPC/CNTs复合材料的合成及相转变过程示意图。(ii) h-CoTe2@HPC/CNTs和(iii) o-CoTe2|P@HPC/CNTs的HRTEM照片。(iv)复合材料的EPR谱图。(v)两种样品的P2p XPS图谱。(vi) h-CoTe2@HPC/CNTs和(vii) o-CoTe2|P@HPC/CNTs复合材料的Co K-edge傅里叶变换k3加权EXAFS谱。(C) (i)异质MoTe2合成工艺示意图。(ii)异质MoTe2相边界示意图。(iii)利用微反应器获得的具有单相1T′(黑色曲线)和异相边界的样品的LSV极化曲线。

图8 (A) (i) 所有催化剂的循环伏安法曲线。(ii) 催化过程的示意图。(B) (i) 不同催化剂的Pt 4f XPS图谱。(ii) 不同催化剂的质量活性，与PtPd和Pt的质量成正比。(iii) Pt17Pd16Ru22Te45 NTs在不同条件下的CV曲线。(C) (i) 不同催化剂的Pt 4f XPS光谱的比较。(ii) 不同催化剂的MOR质量和比活性的柱状图。(iii)PtTe、PtAgTe和PtRuAgTe在0.6 V下与Ag/AgCl的MOR的计时图。

图9 (A) (i) 形成Pt16Te分层纳米结构的示意图。(ii) MOR中Pt16Te的比活性和质量活性的直方图。(iii) Pt16Te和Pt/C的循环稳定性。(B) (i) PtTeCo纳米棒的表面重组示意图。(ii) 催化剂的PXRD图案。(iii）ae-Pt3Te6Co2 NRs/C的HRTEM图像。(iv)不同催化剂的表面价带光发射光谱。(v) 不同原子比的ae-PtTeCo NRs/C的CVs。(vi) 不同催化剂的循环稳定性。

图10 (A) (i) 纳米晶体1T′-MoTe2的电流密度曲线。(ii) 1T′-MoTe2的时间测量曲线。(iii) 1T′-MoTe2活化前后的Mo 3d的XPS光谱。(iv) 催化剂在100个循环之前和之后的CVs。(v) 前沿轨道对称性示意图，H-原子位于三核键轴的中点。在(vi)η-位点和(vii)α-位点吸附了氢的二元异构体的优化结构和键距（pm）。(B) (i) RuTe2-400催化剂的TEM图像。(ii) 不同的催化剂在1mol/L KOH中对HER的偏振曲线。(iii) RuTe2-400的时间测量曲线。(iv) 不同催化剂的HER自由能图。

图11  (A) (i)RuTeP NTs上的HER催化过程示意图。(ii) RuTeP、RuTe和商业Pt/C在-10 mA/cm2下的过电位柱状图。(iii) 样品的电流密度的差异。(iv)RuTeP NTs对HER的稳定性测试。(B) (i) RuIrTe NTs的合成过程示意图。(ii) 不同催化剂在-10 mA/cm2下的过电位柱状图。(iii) 所有样品的Tafel图。(C) (i) Ru-NC-700、Ru foil和RuO2的Ru K- edge XANES光谱。(ii) 催化剂的LSV曲线。(iii) Ru-CN-700的稳定性测试。(iv) Ru-NC-700催化剂的EDTA和KSCN中毒实验。(D) (i) IrTe NTs的形成过程说明。(ii) 催化剂的HER极化曲线和(iii) Tafel图。(iv) IrTe NTs的稳定性测试。

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《智能材料（英文）》（SmartMat）创刊于2020年，是由天津大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊（季刊）。本刊旨在办成国内领先、国际上有较高声誉的学术刊物，提升我国该领域的影响力和话语权。以智能材料领域的研究进展作为切入点，报道其在能源、催化、仿生、人工智能等重点建设领域中的应用。2023年，期刊获得首个影响因子20.4，JCI指数2.24。先后收录于DOAJ、ESCI等数据库。

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