中國石化石科院林偉教授和清華大學劉禮晨副教授基於已有的工作，全面細緻地論述了碳載體材料在電催化領域的研究進展。特別地，針對未來工業化電催化裝置中面臨的碳載體材料相關的挑戰，該團隊嘗試從工業開發的角度出發，討論實驗可以直接測量或研究的關鍵引數，以及如何開發出具有工業應用潛力的碳載體。
碳材料由於其適宜的物理化學特性，例如高比表面積、可調節的孔結構、多變的形態和基於化學修飾的多功能表面特性、低成本和易於從多種前體材料製備，是功能金屬組分的理想載體材料。特別是在電化學系統(如質子交換膜燃料電池(PEMFC)和質子交換膜水電解(PEMWE))中，碳材料扮演著至關重要的角色，因為它們可以作為活性金屬組分的導電載體（見下圖）。但是在迅速增長的電催化領域的文獻報道中，大部分研究通常集中在商業碳負載的功能金屬或金屬氧化物組分上。碳材料負載作用及其對催化效能的影響沒有得到足夠的關注，值得學術界和工業界投入更多的研究努力。
最近，林偉教授和劉禮晨副教授嘗試從工業角度出發，討論實驗可以直接測量或研究的關鍵引數來揭示合成-結構-效能的關係。文中從電化學導電性、化學組成、工業條件下穩定性、傳質、批次化合成、以及深入性認知六個方面系統性介紹和闡釋了碳載體材料在工業相關條件下的電化學領域的應用以及存在的挑戰和未來突破的方向。最後作者基於他們在工業研發活動中積累的知識和經驗，提出實際電催化裝置中的碳載體材料需要滿足的關鍵標準：(1) 比表面積 >60 m²/g；(2) 電阻率 <2.5 Ω·m；(3) 初級碳顆粒尺寸 <50 nm；(4) 迴圈使用能力超過5000次(在1.0-1.5 V下)；(5) 成本低於4000美元/噸。特別地，作者還建議初級碳顆粒尺寸 <50 nm，因為小顆粒可以提高導電性和粘度，增強耐候性，提供更好的加固作用，增加拉伸強度以及磨損抗性。此外，更小的顆粒尺寸與更大的比表面積相關聯，有助於密集的鉑載荷和構建薄催化劑層。這些關鍵指標都可以作為開發質子交換膜燃料電池PEMFC和PEMWE裝置的先進碳載體的指導引數。
論文第一作者為中國石化石科院楊雪博士，通訊作者為林偉教授和劉禮晨副教授。詳見：Yang, X., Gu, X., Song, Y., Hou G., Wang, C., Liu, L., Lin, W. Carbon-based supports for the electrocatalysis under industrially relevant conditions. Sci. China Chem., 2023, https://doi.org/10.1007/s11426-023-1887-7.
【通訊作者簡介】
林偉中國石化石油化工科學研究院副院長，教授級高階工程師，博士生導師。他的研究興趣集中氫能及二氧化碳高效轉化技術開發，圍繞能源相關的催化反應進行，著力於發展光、電、熱催化體系及高儲氫密度材料，聚焦可再生能源制氫耦合二氧化碳高效轉化技術開發和儲氫、燃料電池一體化發電系統研發。承擔十四五國家重點研發計劃、1025關鍵核心技術攻關專案、中國石化重大科技專項課題多項。主持開發了系列S Zorb脫硫吸附劑和催化裂解催化劑，併成功應用於50餘套工業裝置。主持開發了中石化首套兆瓦級PEM電解水制氫技術及國內首個分散式甲醇站內製氫系統，全面突破了關鍵催化材料、元件及系統整合的難題，分別在燕山石化和大連盛港加氫站成功投運，實現了自主技術“綠電”制“綠氫”，有效助力我國氫能產業鏈發展。先後獲得省部級科技進步一等獎6項，中國專利優秀獎1項，發表高水平研究論文近50篇，授權國內外發明專利200餘件。2013榮獲“第十三屆中國青年科技獎”。
劉禮晨清華大學副教授，博士生導師。2012年本科畢業於南京大學化學化工學院，2018年獲得Instituto de Tecnología Química (ITQ), Universitat Politècnica de València可持續化學專業博士學位，導師為Avelino Corma教授。研究物件包括負載型的單原子催化劑，金屬團簇以及非貴金屬的奈米粒子。2020年入選國家海外高層次人才計劃，並於2021年1月加入清華大學化學系任教研序列助理教授（獨立PI）。以第一作者/通訊作者在Nature Materials、Nature Catalysis、Nature Protocols、Nature Communications、Angew. Chem.等雜誌上發表多篇論文以及申請多項專利，並轉讓給工業界。受邀在Nature Reviews Materials、Chemical Reviews、Trends in Chemistry等雜誌撰寫綜述論文。曾獲得國家留學基金委自費留學獎學金，歐洲化學會頒發的European Young Chemist Award，ACS Catalysis Award for Early Career Researcher，美國材料學會研究生金獎，國際催化學會青年科學獎，IUPAC Zhejiang NHU award in Green Chemistry, 瓦倫西亞地區青年科學家獎等。
