Small Science:析氧反应电催化剂的合理设计——晶型还是非晶结构?

晶型、非晶和晶型-非晶组合的材料已经成为具有前景的碱性电解水制氢技术中瓶颈析氧反应(OER)的三种重要的电极材料。随着原位/非原位表征技术的迅速发展,研究人员对电催化剂在OER过程中/后的结构-活性/稳定性关系和催化活性位点有了更深刻的理解。然而,目前对不同初始结构的电催化剂在OER过程中/后行为的起源及其对活性/稳定性的影响来说,仍缺乏系统性的认知。

有鉴于此,南京工业大学邵宗平教授等系统地分析了初始状态为晶型、非晶和晶型-非晶组合材料在OER过程中/后发生不同变化的原因,并详细探讨了这些变化对催化剂活性和稳定性的影响,以期为OER电催化剂的设计提供有益的指导。

首先,文章基于最近的代表性研究,系统地讨论了初始状态为晶型、非晶和晶型-非晶组合材料在OER过程中/后展现出不同行为的起源(图1)。此外,还建立了三种候选材料在OER过程中/后的物理化学性质与材料OER性能/稳定性之间的关联。

此外,对于三种典型的OER电催化剂来说,目前仍存在一些问题,需要进一步研究,例如:

(1) 对于具有良好OER稳定性的晶体结构来说,一个有待解决的问题是如何设计最佳的初始状态或引入有效的策略来突破其活性瓶颈;

(2) 预催化剂在OER过程中发生的表面重构/非晶化行为是否会终止,其潜在的终止机制是什么;

(3) 由于OER过程中/后的非晶相通常是具有低导电性的氢氧化物,因此,如何设计出具有显著OER稳定性和导电性的非晶结构;

(4) 相比于晶型和非晶材料,晶型-非晶组合材料的发展仍较为滞后,因此,应更多地致力于寻找其可控且简便的合成方法同时了解其 OER 过程中/后的行为和催化机理;

(5) 此外,进一步开发原位/实时的先进表征技术是深入了解反应过程中这三种典型催化剂表面行为和催化机制的关键所在。

图1不同初始状态的结构在碱性OER中的转变

论文信息:

Rational Design of Superior Electrocatalysts for Water Oxidation: Crystalline or Amorphous Structure?

Daqin Guan, Wei Zhou, Zongping Shao*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100030

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smsc.202100030