能源与催化材料

能源与催化材料是储存、转化和转换能量的固体——包括电池电极、太阳能吸收剂、多相催化剂和多孔骨架——其化学性质决定了清洁能源技术的效率。

Definition

能源与催化材料是功能性固体，旨在储存能量、将一种形式的能量转换为另一种形式，或催化化学转化，其行为受离子和电子传输、光吸收和表面反应性的控制。

Scope

该领域涵盖了针对能源和催化的材料化学：在电池中电化学储存电荷的电极和电解质材料；将太阳光转化为电能或燃料的光吸收剂和光电化学材料；其表面加速化学反应的多相催化剂；以及用于气体储存、分离和催化的多孔金属有机骨架。它将组成、结构和表面化学与储存和转化性能联系起来。

Sub-topics

• 电池和电极材料
• 多相催化材料
• 金属有机骨架
• 光伏和太阳能材料

Core questions

• 电极材料如何在电池中储存和释放电荷？
• 材料如何吸收太阳光并将其转化为电能或燃料？
• 是什么使固体表面成为有效的多相催化剂？
• 多孔骨架如何储存气体并承载催化位点？

Key concepts

• 插层电极
• 固体和液体电解质
• 光吸收和电荷分离
• 多相催化
• 多孔骨架
• 能量密度和效率

Key theories

电极中的电化学储能

可充电电池通过可逆地将离子插入宿主电极结构中来储存能量，同时电子流经外部电路；容量、电压和循环寿命由电极材料的结构和氧化还原化学性质决定。

光捕获和光电化学转换

太阳能转换利用吸收光子产生电荷载流子的材料，然后这些载流子被分离和收集；染料敏化和半导体光电极将光能转化为电能或驱动燃料形成反应，例如水分解。

Clinical relevance

能源与催化材料是向可持续能源转型的核心：电池材料为电动汽车和电网储能提供动力，光伏和光电化学材料将太阳光转化为电力和燃料，催化剂和骨架则实现了高效的化学制造、排放控制和碳捕获。

History

材料化学推动了现代能源格局的发展：惠廷厄姆（Whittingham）、古迪纳夫（Goodenough）等人在20世纪70年代和80年代开发的插层电极使锂离子电池成为可能；格雷策尔（Grätzel）于1991年发明的染料敏化太阳能电池重新定义了光伏技术；数十年的催化剂和骨架化学研究塑造了清洁能源和化学技术。

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Michael Grätzel

Seminal works

• armand2008
• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

是什么将电池、太阳能和催化材料联系成一个领域？

这三者都依赖于控制电子和离子如何在固体中移动以及化学反应如何在表面和界面发生。相同的材料化学原理——氧化还原化学、传输和表面反应性——支配着能量储存、光转换和催化。

为什么材料化学被认为是清洁能源的关键？

清洁能源技术的性能和成本通常受材料限制：电池的容量、太阳能电池的效率或催化剂的活性。改善这些取决于发现和改进材料，这是能源材料化学的工作。