酸性介质中铱基催化剂的析氧反应：机理、催化促进作用及最新进展
文摘
2024-12-01 10:29
天津
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铱（Ir）基催化剂在强酸性电解质中具有高稳定性和抗腐蚀能力，因此对阳极析氧反应（OER）具有高效催化作用。近期，人们密切关注新型、高效且低成本的铱基催化剂，以克服其在水电解技术中的应用挑战。为全面理解近期开发的铱基催化剂及其催化性能，本综述针对质子交换膜水电解器（PEMWE）的酸性条件，讨论了铱基催化剂的催化机理和促进原理。首先介绍并讨论了吸附物演化机制和晶格氧机制这两种OER催化机制，以便更好地理解催化机理；从几何效应、电子效应、协同效应、缺陷工程和载体效应等方面，对促进原理进行了简要分析总结。然后，详细介绍了铱基催化剂的最新进展和实际应用，按合金、异元素掺杂、钙钛矿、烧绿石、异质结构、核壳结构和负载型催化剂等不同组成的铱催化剂进行了分类。最后，提出了当前铱基催化剂在酸性电解质中面临的问题和挑战。结论指出，未来应开发具有低铱载量的高效催化剂，并注重探究结构与性能的关联性及其在真实PEMWE装置中的应用。希望当前的工作有助于理解铱基催化剂对OER的催化机理，并对新型高效催化剂的设计和制备具有指导意义。催化剂可分为金属纳米结构（如Ir和Ru基）、贵金属氧化物、非贵金属氧化物和碳基纳米材料等，它们在酸性OER催化剂设计中均有所应用。酸性介质中的析氧反应是质子交换膜水电解（PEMWEs）等清洁能源技术的关键步骤，因此开发高效的酸性OER催化剂至关重要。在某些新型催化剂（如SrRu0.5Ir0.5O3、La3IrO7-SLD等）中，晶格氧（OL）可能直接参与析氧反应过程，这一机制被称为晶格氧机制（LOM）。提出了多种反应路径，如氧化路径、电化学氧化路径等，以解释铱基催化剂在析氧反应中的行为。基于公认的吸附物演化概念，首次讨论了铱基催化剂在酸性介质中析氧反应的机理。晶格氧的参与可通过产生可逆的表面氧空位（VO）来增强催化剂的活性，如IrNiOx催化剂中Ni的浸出导致OL空位的形成，进而缩短Ir–O键并诱导大量d带空穴，增强氧配体的亲电性。多孔纳米结构的铱基催化剂（如3D纳米多孔铱基合金微线、多孔空心纳米晶体等）因其高比表面积和优化的传质路径而表现出优异的电催化性能。掺杂其他元素（如Mn、Pt等）或形成合金（如IrRu合金）可进一步优化铱基催化剂的性能，提高其在水氧化催化中的效率和稳定性。铱基双金属催化剂（如Ir-Ru、Ir-Pd等）通过调节Ir的氧化态和表面结构，展现出增强的催化活性和稳定性。尽管某些铱基氧化物催化剂通过晶格氧的参与实现了增强的OER活性，但这往往以牺牲其电化学稳定性为代价。研究晶格缺陷对溶解和LOM的影响有助于理解这些催化剂的降解机制。未来的研究将集中在进一步优化催化剂结构、提高活性与稳定性、降低成本以及探索更多新型铱基催化剂体系上。铱基催化剂在质子交换膜水电解等领域具有广阔的应用前景，其高效的OER性能是推动清洁能源技术发展的关键。文献中引用了大量相关研究成果，包括实验数据、理论计算、模型构建等方面，为铱基催化剂在酸性OER中的应用提供了丰富的参考和依据。 综上，铱基催化剂在酸性介质中的析氧反应领域取得了显著进展，但仍面临挑战，如成本高昂、稳定性不足等。- 未来的研究将继续推动这一领域的发展，为清洁能源技术的商业化应用贡献力量。
https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120056
