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Chem. Eur. J. :析氧反應催化劑的理論設計及實驗驗證2024-03-09
東南大學王育喬教授團隊聯合南京航空航天大學陶海軍副教授團隊、湯曉斌教授團隊發表綜述文章,總結和展望了近年來析氧反應電催化劑的典型機理研究和重要實驗驗證途徑。該工作從分析比較三類典型的析氧反應催化機理(吸附脫附機理,晶格氧介導機理,雙功能機理)出發重點闡述了催化劑的設計過程。總結了析氫反應催化劑設計中常用的理論計算工具和實驗技術手段(圖1)。

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圖1 理論設計與實驗驗證研究策略示意圖

析氧反應(OER)一般是指電化學分解水時,從陰極釋放的電子經電解質輸運到陽極表面被捕獲后氧氣從陽極表面析出的過程。該反應過程普遍地發生在能量轉化、儲存以及環境修復等常見的過程當中。由于驅動該反應過程需要克服較高的過電勢以及涉及多個位點的多氧化還原機制,所以,析氧反應催化劑在降低過電勢和加速反應動力學過程中起到了舉足輕重的作用。因此,合理設計、可控制備具有高活性、長壽命的析氧反應催化劑是實現高效析氧反應的關鍵要素。

目前,利用理論工具從分子尺度上設計、優化催化劑,預測催化反應熱力學參數以及模擬催化反應動力學過程等理論研究日益成為該領域內的熱點問題。與此同時人們提出了很多具有典型特征的析氫反應機理。但是,由于理論模型自身的局限性,高效催化劑的開發還必須依賴于實驗工作的驗證以及進一步提供有關催化劑結構、實際反應過程等微觀作用與宏觀效果進行佐證與提升理論模擬的精準度。在設計和制備高效催化劑方面,如何挖掘理論模擬的精準度,如何將實時監控和獲取實際反應過程中催化劑衰變失效與催化行為,以及揭示上述兩者之間的內在關聯是當前該研究領域中的難點問題。我們希望通過梳理該領域內當前的熱點問題和難點問題,期待廣大的理論工作者和實驗研究人員廣泛交流、共同合作推進“理論設計在先,實驗驗證在后,互為佐證與提升”的研究策略,早日實現析高效氫催化劑的精準設計、宏量可控制備及其工程應用實踐。

文信息

Theoretical and Experimental Aspects of Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction

Shifan Zhu, Lili Song, Zhiheng Xu, Feida Chen, Haijun Tao, Xiaobin Tang, and Yuqiao Wang*

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202303672

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