综述：工程化g-C3N4基杂化电催化剂：通过集成碳材料和MOF衍生纳米结构应用于OER、HER和ORR的综合评述

《Fuel》：A comprehensive review of engineering g-C 3N 4-based hybrid electrocatalysts via integration of carbon materials and MOF-derived nanostructures for OER, HER, and ORR applications

本综述系统评述了通过整合碳材料（如GO、CNTs）与金属有机框架（MOF）衍生纳米结构对石墨相氮化碳（g-C3N4）基杂化电催化剂进行工程化设计的最新进展。重点阐述了该策略如何协同提升催化剂在析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）中的导电性、比表面积和活性位点密度，为开发下一代可持续能源技术用多功能电催化剂指明了方向。

　　

引言

在当今世界，工业活动的扩张和不断增长的全球能源需求，日益推动科学研究朝着开发高效、环境友好且可持续的能源技术方向发展。其中，电化学水分解和燃料电池等技术因其利用氢气作为清洁能源载体的潜力而被认为是前景广阔的平台。这些技术的核心依赖于析氧反应（OER）、析氢反应（HER）和氧还原反应（ORR）等关键电化学反应。然而，缓慢的反应动力学，尤其是涉及多电子转移的OER和ORR，限制了这些技术的性能和规模化应用。因此，设计稳定、高效、经济且具有优异导电性和高活性位点密度的电催化剂至关重要。

尽管贵金属基电催化剂性能卓越，但其稀缺性和高成本限制了大规模应用。在众多新兴材料中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种非金属基、富氮、低成本、易于合成且结构稳定的材料，在OER、HER和ORR应用中受到了广泛关注。其耐化学和热降解性，以及可调控的表面和电子结构特性，使其成为有前途的候选者。其独特的由三-s-三嗪单元构成的层状结构和丰富的氮官能团，不仅为金属配位和杂原子掺杂提供了位点，也使其电子结构可调，成为一个高度适应性平台。然而，其较差的电子迁移率和由块体形态导致的有限比表面积，限制了其实际应用。

电催化机制与水电解及燃料电池系统

理解OER、HER和ORR的基本机制对于催化剂设计至关重要。在标准条件下，水分解的理论电压为1.23 V，但实际电解需要额外的过电位来克服热力学平衡电位。因此，开发有效的OER和HER催化剂以降低过电位是关键。在燃料电池中，ORR是阴极的缓慢反应，同样需要高效催化剂来提升能量转换效率。

g-C₃N₄的性质与结构

氮化碳（CNs）是一类主要由碳和氮原子组成的类聚合物半导体材料。g-C₃N₄是其中最具代表性的成员，具有悠久的研究历史。其易于制备、稳定性好、无毒且结构独特，在催化和能源领域展现出潜力。但其本征导电性差和比表面积小是主要挑战。

与碳材料的集成

碳材料，如石墨烯（G）、氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）、碳纳米管（CNTs）、碳量子点（CQDs）等，具有优异的导电性和大比表面积。将g-C₃N₄与这些碳材料复合，可以显著改善复合物的电荷传输能力，扩大表面积，并防止g-C₃N₄片层的堆叠，从而暴露更多活性位点。这种协同效应有效提升了其在OER、HER和ORR中的催化性能。

与MOF衍生纳米结构的集成

金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子/簇和有机配体构成的多孔晶体材料。MOFs经过热解等处理后，可以衍生出具有高孔隙率、大比表面积和均匀分散的金属活性位点（如单原子、纳米团簇或纳米颗粒）的碳基或金属化合物材料。将g-C₃N₄与MOF衍生纳米结构结合，可以充分利用MOF衍生材料的多孔特性和g-C₃N₄的氮掺杂基质优势，创造出导电网络发达、活性位点丰富且结构稳定的杂化电催化剂，在三种反应中均表现出增强的活性和稳定性。

结论与未来展望

本文综述了近年来在设计和开发用于OER、HER和ORR的高效g-C₃N₄基杂化电催化剂方面取得的重要进展。通过整合导电碳材料和多孔MOF衍生纳米结构，可以有效克服g-C₃N₄自身的局限性，实现催化性能的显著提升。尽管已取得显著成果，该领域仍面临一些挑战，例如精确控制杂化界面的结构与电子相互作用、优化活性位点的密度与分布、以及提升催化剂在长期运行下的耐久性。未来的研究应侧重于通过先进的表征技术和理论计算深入理解催化机理，探索更绿色经济的合成路径，并推动这些高性能催化剂在实际能源转换装置中的应用，为下一代可持续能源系统的发展贡献力量。