Advanced Energy Materials:“供给侧”改革:优化离子输运动力学推进OER性能

非均相催化的动力学过程包括吸附,扩散和表面化学反应等几个步骤。目前电催化研究大多集中在增加催化活性位点数量与提高催化位点的本征活性等层面。然而,作为电催化解水领域中瓶颈问题,电极/电解液界面处的离子输运动力学却很少被深入研究。

鉴于此,北京科技大学康卓副教授与张跃院士团队通过液相化学刻蚀方法在三维石墨烯气凝胶海绵结构中引入纳米级孔洞,并实现孔洞尺寸与分布密度的精确调控。大幅度提升催化过程中反应离子的输运效率,使电解液中离子可有效扩散直达深埋于催化电极内部的活性位点微环境,解决活性物质超量负载暴露过多活性位点而诱发的反应离子供给不足问题,并通过多种等效电路模型分析揭示了负载基底孔洞结构对离子输运电阻的调控机制,实现了催化过程中反应离子输运与催化剂中电子输运的优化平衡,有望推进OER催化的性能极限,证实了多级孔道三维石墨烯结构作为催化剂负载基底的重要应用前景。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001005)上, 文章第一作者为北京科技大学硕士生武平伟与博士生吴警。

本工作设计构筑了多级孔道三维石墨烯催化剂负载平台,突破了从活性位点数量与本征活性角度优化性能的传统思路,提出了“供给侧”与“消费侧”协同、联动调控OER催化性能的新思路。