Advanced Materials:酸性介质中析氧的非贵金属基电催化剂的研究进展与思考

新加坡南洋理工大学刘彬课题组首先讨论了水氧化的热力学、水溶液中金属元素的Pourbaix图以及酸性OER无贵金属电催化剂的理论筛选和预测。 总结了酸性OER的催化性能、反应动力学和机理以及未来的研究方向。

要点一:水氧化反应与金属元素在水溶液中稳定性的热力学及理论预测筛选

水氧化反应与金属元素在水溶液中的热力学可以用作材料在OER过程中稳定的初步考虑,但需考虑溶液中离子浓度对材料热力学稳定性的影响。另外,热力学不稳定的材料,如果腐蚀动力学足够缓慢,仍可能用于OER催化剂。近年来发展的DFT计算已经可以用于理论分析复合氧化物的热力学稳定性,将对材料筛选起重要推动作用。

要点二:非贵金属基电催化剂的性能测试问题及总结

酸性条件下测试催化剂的OER活性需要在稳定的基底上(如FTO)进行,析出氧气的法位第效率也应通过实验测定。通过Tafel斜率可以更好的比较材料的催化性能。一些单金属氧化物表现出可观的活性,而多元金属氧化物是一个很具前景的研究体系。

要点三:反应的动力学分析方法及原位表征手段

通过实验方法确定反应物或生成物(包括水分子,质子,电子)的反应级数(Tafel可以看作是电子的反应级数)是推测反应机理的重要手段,与原位表征手段的结合可能得到更另人信服的结论,但应注意原位表征手段的时间分辨率与催化反应的TOF是否匹配。

要点四:前瞻

1) 开发高活性多金属配合物。2)通过最大限度地提高原子利用率来最大限度地减少贵金属的使用。3)水电解槽的创新设计。

热力学表明,无论 pH 值如何,任何金属氧化物在析氧条件下都会变得不稳定,因为金属氧化物晶格中氧阴离子的热力学不稳定性。事实上,即使在贵金属(Au、Pt、Ir、Ru、Os)中,酸性环境中单金属氧化物的析氧反应也显示出活性-稳定性趋势:活性最高的氧化物是最不稳定的材料。也就是说,OER 催化剂在反应条件下的溶解或腐蚀似乎是不可避免的。然而,如果电解质中存在活性成分的离子,则催化剂可以自我修复并如上所述变得功能稳定。这种现象也可以得到文中讨论的Pourbaix图的支持,该图表明溶液中金属离子浓度的增加可以扩大金属氧化物的稳定范围。因此,根据自愈机制,可以通过在电解质中引入活性金属离子来克服 OER 催化剂的稳定性挑战。然而,含有活性金属元素的电解质可能会影响质子转移和 PEM 的长期稳定性。因此,可能需要重新设计当前的 PEM 电解槽或增强 PEM 对金属离子的抵抗力来克服这个问题.

论文信息:

Progress of Nonprecious-Metal-Based Electrocatalysts for Oxygen Evolution in Acidic Media

Jiajian Gao, Huabing Tao*, Bin Liu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202003786

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202003786