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Bioinspired and Bioderived Aqueous Electrocatalysis
Chemical Reviews ( IF 51.4 ) Pub Date : 2022-11-10 , DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00429 Jesús Barrio 1, 2 , Angus Pedersen 1, 2 , Silvia Favero 2 , Hui Luo 2 , Mengnan Wang 1, 2 , Saurav Ch Sarma 2 , Jingyu Feng 2, 3 , Linh Tran Thi Ngoc 2, 3 , Simon Kellner 2 , Alain You Li 2 , Ana Belén Jorge Sobrido 3 , Maria-Magdalena Titirici 2, 4
Chemical Reviews ( IF 51.4 ) Pub Date : 2022-11-10 , DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00429 Jesús Barrio 1, 2 , Angus Pedersen 1, 2 , Silvia Favero 2 , Hui Luo 2 , Mengnan Wang 1, 2 , Saurav Ch Sarma 2 , Jingyu Feng 2, 3 , Linh Tran Thi Ngoc 2, 3 , Simon Kellner 2 , Alain You Li 2 , Ana Belén Jorge Sobrido 3 , Maria-Magdalena Titirici 2, 4
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The development of efficient and sustainable electrochemical systems able to provide clean-energy fuels and chemicals is one of the main current challenges of materials science and engineering. Over the last decades, significant advances have been made in the development of robust electrocatalysts for different reactions, with fundamental insights from both computational and experimental work. Some of the most promising systems in the literature are based on expensive and scarce platinum-group metals; however, natural enzymes show the highest per-site catalytic activities, while their active sites are based exclusively on earth-abundant metals. Additionally, natural biomass provides a valuable feedstock for producing advanced carbonaceous materials with porous hierarchical structures. Utilizing resources and design inspiration from nature can help create more sustainable and cost-effective strategies for manufacturing cost-effective, sustainable, and robust electrochemical materials and devices. This review spans from materials to device engineering; we initially discuss the design of carbon-based materials with bioinspired features (such as enzyme active sites), the utilization of biomass resources to construct tailored carbon materials, and their activity in aqueous electrocatalysis for water splitting, oxygen reduction, and CO2 reduction. We then delve in the applicability of bioinspired features in electrochemical devices, such as the engineering of bioinspired mass transport and electrode interfaces. Finally, we address remaining challenges, such as the stability of bioinspired active sites or the activity of metal-free carbon materials, and discuss new potential research directions that can open the gates to the implementation of bioinspired sustainable materials in electrochemical devices.
中文翻译：
仿生和生物衍生的水相电催化
开发能够提供清洁能源燃料和化学品的高效且可持续的电化学系统是材料科学与工程当前的主要挑战之一。在过去的几十年里，通过计算和实验工作的基本见解，在开发用于不同反应的强大电催化剂方面取得了重大进展。文献中一些最有前途的系统是基于昂贵且稀缺的铂族金属；然而，天然酶表现出最高的每位点催化活性，而它们的活性位点完全基于地球上丰富的金属。此外，天然生物质为生产具有多孔分级结构的先进碳质材料提供了宝贵的原料。利用来自大自然的资源和设计灵感可以帮助制定更具可持续性和成本效益的策略，以制造成本效益高、可持续且坚固的电化学材料和设备。此次审查涵盖从材料到设备工程；我们首先讨论了具有仿生特征（例如酶活性位点）的碳基材料的设计，利用生物质资源构建定制的碳材料，以及它们在水分解、氧还原和CO 2还原的水电催化中的活性。然后，我们深入研究仿生特征在电化学装置中的适用性，例如仿生传质和电极界面的工程。 最后，我们解决了剩余的挑战，例如仿生活性位点的稳定性或无金属碳材料的活性，并讨论了新的潜在研究方向，这些方向可以打开在电化学装置中实施仿生可持续材料的大门。
更新日期：2022-11-10
中文翻译：
仿生和生物衍生的水相电催化
开发能够提供清洁能源燃料和化学品的高效且可持续的电化学系统是材料科学与工程当前的主要挑战之一。在过去的几十年里，通过计算和实验工作的基本见解，在开发用于不同反应的强大电催化剂方面取得了重大进展。文献中一些最有前途的系统是基于昂贵且稀缺的铂族金属；然而，天然酶表现出最高的每位点催化活性，而它们的活性位点完全基于地球上丰富的金属。此外，天然生物质为生产具有多孔分级结构的先进碳质材料提供了宝贵的原料。利用来自大自然的资源和设计灵感可以帮助制定更具可持续性和成本效益的策略，以制造成本效益高、可持续且坚固的电化学材料和设备。此次审查涵盖从材料到设备工程；我们首先讨论了具有仿生特征（例如酶活性位点）的碳基材料的设计，利用生物质资源构建定制的碳材料，以及它们在水分解、氧还原和CO 2还原的水电催化中的活性。然后，我们深入研究仿生特征在电化学装置中的适用性，例如仿生传质和电极界面的工程。 最后，我们解决了剩余的挑战，例如仿生活性位点的稳定性或无金属碳材料的活性，并讨论了新的潜在研究方向，这些方向可以打开在电化学装置中实施仿生可持续材料的大门。
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