催化是科学和工程中的一个重要领域。理解催化机理、掌控催化活性位点、调节催化材料中的电子、离子的传输及其与反应物和产物分子的相互作用对提高催化剂的催化效率、选择性和耐久性等方面都起着重要作用。在诸多的催化反应中，氧还原反应（ORR），析氧反应（OER）和析氢反应（HER）对发展清洁、可再生能源技术至关重要[1-3]。不幸的是，它们通常需要贵金属（例如Pt、Ir、Ru）基催化剂，而贵金属昂贵的价格及其有限的储量大大限制了这些绿色能源技术的商业化进程。半个多世纪来，人们试图开发非贵金属催化剂来替代贵金属催化剂。但是，与传统贵金属催化剂相比，非贵金属催化剂具有化学不稳定，宏量生产成本依然较高，或催化效率低等缺点。因此，人们迫切希望开发具有优异催化性能，易于大规模、低成本制备的新型催化剂。
与金属催化剂相比，碳基催化剂材料具有多种优势，包括其高的地壳丰度，低成本，结构和形态的可调性。另外，大多数金属催化剂的催化活性依赖于金属元素的本征属性，而C-MFCs的催化活性位点可通过可控引入掺杂剂（例如，“单”/“多”杂原子掺杂），结构畸变/缺陷（“缺陷掺杂”），吸附剂（“电荷转移掺杂”）或/和三维（3D）结构来调节。这就为产生系列高效催化剂提供了强有力的手段，使得C-MFCs与传统的金属基催化剂有着本质的区别，甚至有更好的多功能性和更大的优化空间[7]。
图1.AdvancedMaterials杂志2019年第31卷、13期专刊：Metal-freeCarbonElectrocatalysts（碳基无金属电催化剂）。
图2.C-MFCs的化学合成策略，包括溶剂合成法，表面/界面合成法，固态合成法，非共价键化学合成法[8]。
可控化学法合成高效C-MFCs对该领域的发展起着极大的推动作用。戴黎明、冯新亮、KlausMüllen、戴胜、陈建峰及其同事一道对C-MFCs化学合成方法进行了全面而严谨的综述（图2），在总结了当前碳基无金属催化剂重要进展的同时展望了未来前景，并指出当前存在的挑战[8]。
图4.用于各种催化反应的C-MFCs设计策略，包括水分解中OER/HER碳基双功能催化剂[20]。
图5.（a）C-MFCs用于CO2的还原反应，生成具有多种附加值的小分子燃料[22]。（b）C-MFCs用于2电子ORR过程产生H2O2[24]。
图6.（a）C-MFCs的原子调控和结构设计以产生催化活性位点，比如锌空气电池中ORR/OER双功能活性位点[19]。（b）三维碳材料构建的C-MFCs用于能源储存与转换集成器件中的ORR/OER/HER[26]。
图7.（a）用于表征C-MFCs及其催化过程的原位测试手段[27]。（b）制备高效C-MFCs的指导原则[28]。
在纪念第一个C-MFC发现10周年之际，我们相信这期专刊所概述的诸多科学突破和在该领域取得的最新成果[29]，将会引发碳基无金属催化剂研发的重大进展，最终实现碳基无金属催化剂的工业化应用。
Adv.Mater.专刊：碳基无金属催化剂
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29.L.Dai.(Ed.)“Carbon-BasedMetal-FreeCatalysts:DesignandApplications”,(2Vols.),Wiley-VCH:Weinheim,2018.PrintISBN:9783527343416.
戴黎明教授简介
戴黎明，1983年毕业于浙江大学化学工程系高分子化工专业，1991年获澳大利亚国立大学化学博士学位，先后在英国剑桥大学卡文迪许实验室、美国伊利诺斯大学材料科学与工程系、澳大利亚联邦科学与工业研究院（CSIRO）分子科学研究所等知名科研机构从事研究工作。历任美国阿克隆大学高分子工程系副教授、美国戴顿大学化学与材料工程系教授兼任莱特兄弟研究院首席教授（WrightBrothersInstituteEndowedChairProfessor），现任凯斯西储大学(CaseWesternReserveUniversity,CWRU)高分子科学与工程系讲席教授（KentHaleSmithProfessor）、凯斯先进碳科学和工程中心（CenterofAdvancedScienceandEngineeringforCarbon-Case4Carbon）主任。
戴教授长期从事功能高分子以及碳纳米材料在能源和医药等方面的研究工作，在碳纳米管、石墨烯的合成组装及其在能源方面的应用等研究领域取得了令人瞩目的一系列创新性研究成果；发表论文500多篇，论文共被引用66000余次，H指数为133（googlescholar），是全球高被引科学家（化学、材料）；担任NanoEnergy副主编和多种杂志的编委。同时任美国碳学会（AmericanCarbonSociety）顾问委员会委员、英国皇家化学会（RoyalSocietyofChemistry）会士、美国医学与生物工程院（AmericanInstituteofMedicalandBiologicalEngineering）院士、欧盟科学院（EUAcademyofSciences）院士。