原創(chuàng) SSTR MaterialsViews 2023-04-05 08:38 發(fā)表于四川
正文
目前，氫氣的生產(chǎn)和消耗成為實(shí)現(xiàn)氫循環(huán)利用的兩個(gè)關(guān)鍵過程。在氫氣消耗中，陽極的氫氧化反應(yīng)（HOR）是燃料電池的關(guān)鍵步驟。然而，即使在堿性條件下使用活性最高的Pt基催化劑，HOR動(dòng)力學(xué)也比在酸性條件下慢2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，嚴(yán)重阻礙了堿性燃料電池的發(fā)展。因此，研究人員試圖分析堿性介質(zhì)中的HOR機(jī)理，并深入探討HOR活性的根本原因，以便更好地設(shè)計(jì)、篩選和構(gòu)建具有高活性和穩(wěn)定性的HOR催化劑。
為此，武漢理工大學(xué)木士春教授和南京曉莊學(xué)院劉蘇莉教授介紹了HOR的催化機(jī)理，并系統(tǒng)地分析和總結(jié)了HOR催化劑的設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略，包括應(yīng)變調(diào)控、組分調(diào)控、原子摻雜、親氧位點(diǎn)工程和載體工程。最后，提出了堿性HOR面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以及潛在的研究趨勢(shì)（圖1）。
【圖1】催化劑的HOR反應(yīng)機(jī)理、分類、性能優(yōu)化策略及主要挑戰(zhàn)。
【圖2】堿性HOR的HBE和OHBE理論示意圖
本文首先評(píng)述了HOR催化劑的反應(yīng)機(jī)理（圖2），確定HBE和OHBE是描述HOR催化性能的描述符，并介紹了被廣泛應(yīng)用的HBE理論和雙功能理論；評(píng)述了近年來堿性HOR常用的催化劑種類，包括貴金屬基催化劑（包括Pt基，Pd基，Ir基，Ru基催化劑）和非貴金屬催化劑（包括單金屬和多金屬催化劑）；接著重點(diǎn)探討了催化劑本征活性和穩(wěn)定性，進(jìn)而提出HOR催化性能的優(yōu)化策略（包括幾何工程、組分工程、原子摻雜工程、親氧位點(diǎn)工程和載體工程等）；最后，作者分享了該領(lǐng)域目前的進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)：1）對(duì)HOR反應(yīng)機(jī)理的理解仍然不完全清楚，HBE理論和雙功能理論之間的爭(zhēng)論仍在進(jìn)行中；2）需要更多的原位表征技術(shù)探索反應(yīng)中間體的變化過程；3）增加催化劑的活性面積、活性原子的數(shù)量以及設(shè)計(jì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以延長(zhǎng)催化劑的壽命仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)；4）在非貴金屬HOR催化劑的構(gòu)建中，雜原子摻雜或合金化過程中元素的合理選擇和精確控制是十分困難的；5）理論計(jì)算的發(fā)展可以為復(fù)雜的電催化反應(yīng)界面過程提供原子和分子信息，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不可控性和復(fù)雜性；6）有必要通過多種方法客觀評(píng)估催化劑的性能，使其更具適用性。
針對(duì)以上諸多挑戰(zhàn)，在未來的研究中，更需要原位界面結(jié)構(gòu)表征和理論模型研究相結(jié)合，為低成本、高活性、高穩(wěn)定性HOR催化劑的設(shè)計(jì)和制備提供更有效的策略和理論依據(jù)。
論文信息：
Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction Catalysts: Insight into Catalytic Mechanisms, Classification, Activity Regulation and Challenges. Xueqin Mu, Suli Liu*, Lei Chen, Shichun Mu*Small StructuresDOI: 10.1002/sstr.202200281