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Chem. Eur. J. :析氧反应催化剂的理论设计及实验验证2024-03-09
东南大学王育乔教授团队联合南京航空航天大学陶海军副教授团队、汤晓斌教授团队发表综述文章,总结和展望了近年来析氧反应电催化剂的典型机理研究和重要实验验证途径。该工作从分析比较三类典型的析氧反应催化机理(吸附脱附机理,晶格氧介导机理,双功能机理)出发重点阐述了催化剂的设计过程。总结了析氢反应催化剂设计中常用的理论计算工具和实验技术手段(图1)。

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图1 理论设计与实验验证研究策略示意图

析氧反应(OER)一般是指电化学分解水时,从阴极释放的电子经电解质输运到阳极表面被捕获后氧气从阳极表面析出的过程。该反应过程普遍地发生在能量转化、储存以及环境修复等常见的过程当中。由于驱动该反应过程需要克服较高的过电势以及涉及多个位点的多氧化还原机制,所以,析氧反应催化剂在降低过电势和加速反应动力学过程中起到了举足轻重的作用。因此,合理设计、可控制备具有高活性、长寿命的析氧反应催化剂是实现高效析氧反应的关键要素。

目前,利用理论工具从分子尺度上设计、优化催化剂,预测催化反应热力学参数以及模拟催化反应动力学过程等理论研究日益成为该领域内的热点问题。与此同时人们提出了很多具有典型特征的析氢反应机理。但是,由于理论模型自身的局限性,高效催化剂的开发还必须依赖于实验工作的验证以及进一步提供有关催化剂结构、实际反应过程等微观作用与宏观效果进行佐证与提升理论模拟的精准度。在设计和制备高效催化剂方面,如何挖掘理论模拟的精准度,如何将实时监控和获取实际反应过程中催化剂衰变失效与催化行为,以及揭示上述两者之间的内在关联是当前该研究领域中的难点问题。我们希望通过梳理该领域内当前的热点问题和难点问题,期待广大的理论工作者和实验研究人员广泛交流、共同合作推进“理论设计在先,实验验证在后,互为佐证与提升”的研究策略,早日实现析高效氢催化剂的精准设计、宏量可控制备及其工程应用实践。

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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