凝胶电催化剂：电化学能源转换的新兴材料平台

作者及机构
本文由德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程项目的Zhiwei Fang、Panpan Li和Guihua Yu*教授团队撰写，发表于《Advanced Materials》期刊（2020年，DOI: 10.1002/adma.202003191）。

主题与背景
本文是一篇关于凝胶材料在电催化领域应用的综述性论文。随着全球对可持续能源需求的增长，电化学能源转换技术（如电解水、燃料电池和金属-空气电池）成为研究热点。然而，这些技术的效率受限于电催化剂的活性、稳定性和成本。传统贵金属催化剂（如Pt、Ir）虽高效但价格昂贵，因此开发低成本、高性能的替代材料至关重要。凝胶材料因其多孔结构、可调控的组成和功能化潜力，成为新兴的电催化剂平台。

主要观点与论据

1. 凝胶材料的合成方法及其衍生物
   凝胶是通过溶胶-凝胶过程形成的三维网络结构，可分为有机聚合物凝胶（如聚苯胺、聚吡咯）、无机凝胶（如金属氧化物、氰基凝胶）和碳基凝胶（如石墨烯水凝胶）。合成方法包括自由基聚合、水热/溶剂热法、溶胶-凝胶法和配体取代法。例如，石墨烯水凝胶可通过水热法一步合成，而金属氧化物凝胶可通过溶胶-凝胶法水解金属醇盐前驱体制备。凝胶衍生物（如金属/合金、金属氧化物和碳材料）通过热处理或化学活化获得，保留了凝胶的多孔结构和高比表面积。例如，Sn-Ni/石墨烯双网络凝胶经还原后形成Sn-Ni合金催化剂，展现出优异的电催化性能。

2. 凝胶作为电催化剂的支撑材料
   凝胶的多孔结构和高导电性使其成为理想的催化剂载体。例如，还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶可负载Ni-MnO颗粒，显著提升氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的双功能活性。凝胶的亲水性还能增强催化剂与电解质的接触，提高活性位点利用率。例如，NiCoFe层状双氢氧化物（LDH）与氮掺杂碳（N-C）凝胶复合后，接触角从95°降至14°，显著提升了OER性能。

3. 凝胶作为活性电催化剂

   • 析氢反应（HER）：凝胶衍生的非贵金属催化剂（如MoSx/N掺杂石墨烯）在酸性或碱性条件下均表现出低过电位（140.6 mV@10 mA cm−2）和小塔菲尔斜率（105 mV dec−1）。
     
   • 氧析出反应（OER）：FeCoW氧氢氧化物凝胶因原子级均匀的金属分布，在碱性条件下仅需191 mV过电位。氰基凝胶（如InFeCo-氰基凝胶）在酸性条件下稳定性优异，可连续工作40小时。
     
   • 氧还原反应（ORR）：凝胶衍生的N/P共掺杂碳泡沫（NPMC）在碱性介质中的半波电位（0.85 V vs. RHE）媲美商用Pt/C。过渡金属单原子催化剂（如CoFe-聚吡咯）因亚纳米级金属簇的均匀分散，展现出高ORR活性和抗甲醇性能。
     

4. 其他电催化应用
   贵金属气凝胶（如Au-Pd-Pt）因其三维导电网络和大比表面积，在醇类氧化反应中电流密度达4.82 A mg−1，是商用催化剂的6倍。此外，铁卟啉/石墨烯凝胶（FePGH）在CO2还原反应中表现出96.2%的法拉第效率和低过电位（280 mV）。

意义与价值
本文系统总结了凝胶电催化剂的合成策略、结构优势及性能调控机制，为设计高效、低成本的电催化剂提供了新思路。凝胶材料的多功能性和可扩展性使其在能源转换领域具有广阔的应用前景，例如：
- 科学价值：揭示了凝胶结构对催化活性位点暴露和传质过程的优化机制。
- 应用价值：推动了非贵金属催化剂在电解水、燃料电池等设备中的实际应用。

亮点
1. 结构创新：凝胶的三维多孔网络和可功能化特性为催化剂设计提供了独特平台。
2. 性能突破：凝胶衍生的单原子催化剂和双金属合金在活性和稳定性上超越传统材料。
3. 方法普适性：凝胶合成策略可扩展至多种材料体系（如金属氧化物、碳基材料）。

未来挑战
尽管凝胶电催化剂取得显著进展，仍需解决以下问题：
- 提高活性位点密度以充分利用凝胶的高比表面积；
- 优化电子结构调控策略以增强本征活性；
- 推动凝胶催化剂在工业级设备中的规模化应用。

本文为凝胶材料在电催化领域的深入研究奠定了基础，并为下一代能源技术提供了材料设计范式。