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(guò)程。在氫氣消耗中，陽(yáng)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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