摘 要
港理工黄海涛教授/南航朱艳萍教授和南信大陈高教授全面总结了电化学水氧化过程中电催化剂组分的浸出。首先简要介绍了从热力学角度来看元素浸出的起源（Pourbaix图），随后概述了先进表征技术在分析因组分浸出引起的电催化剂变化中的应用。
文章简介
全文速览
全球能源需求的不断增加和环境问题的日益严重，迫使我们必须探索和发展替代和可持续的能源来源，以取代传统的化石燃料。氢气被认为是最清洁的能源载体之一，主要因为其零碳排放。由可再生电力驱动的电化学水分解被认为是一种环保且持久的氢气生成方法。水分解包括在阳极上发生的氧气析出反应（OER）和在阴极上发生的氢气析出反应（HER）。由于OER涉及四电子转移，OER比仅涉及两电子转移的HER更复杂且速度更慢。因此，必须开发出高效的OER催化剂，这些催化剂需要表现出卓越的活性和持久的稳定性，以提高水分解的整体效率。
基于过渡金属的材料，包括合金、氢氧化物、氧化物、硫化物、磷化物、氮化物、碳化物、硼化物和单原子材料，已被广泛研究作为碱性OER的可行替代品。对于酸性条件下的OER，电催化剂主要由贵金属元素铱（Ir）或钌（Ru）组成。这是因为大多数过渡元素无法在酸性环境中保持稳定。除了在材料探索方面的显著进展外，人们普遍注意到OER催化剂的表面结构在整个OER过程中会发生转变，从而挑战了传统的“催化剂”概念。
为了更好地理解OER催化的基本过程，进行了大量研究以调查催化剂在OER条件下的演变情况。最常见的现象之一是催化剂成分的浸出。电化学浸出是指将可溶成分从其载体物质中分离或提取并转移到电解质中的过程。当施加OER电位时，初始结构中具有脆弱键且在电解质中可溶的亚稳态物种可以很容易地从晶格中脱离并溶解到电解质中，导致初始结构的破坏、缺陷的产生以及更多固液界面的暴露。此外，被浸出的物种可以通过形成新的无定形层重新沉积，这可能表现出更高的OER活性。
有鉴于此，港理工黄海涛教授/南航朱艳萍教授和南信大陈高教授在InfoMat发表综述论文，全面总结了电化学水氧化过程中电催化剂组分的浸出。首先简要介绍了从热力学角度来看元素浸出的起源（Pourbaix图），随后概述了先进表征技术在分析因组分浸出引起的电催化剂变化中的应用。作者将OER过程中的浸出现象分为两类：非活性成分浸出和活性成分浸出。详细讨论了几类典型的OER催化剂的浸出行为及其引起的效应，之后总结了三种由浸出亚稳态物种引起的代表性结构转变类型。最后，作者展望了在电化学反应中扩展组分浸出知识和合理设计先进电催化剂的可能途径。
图1. 组分浸出对OER积极和消极方面的总结。
图2. 在OER条件下浸出诱导的3种具有代表性的结构转变类型：（左）结构保持良好;（中）初始晶格的坍塌和（右）浸出离子与底物之间的相互作用。
结论
电催化剂组分的浸出是OER过程中常见的现象。系统地理解浸出的关键起源、不同行为和引起的效应，对于设计和预测具有更好耐久性和活性的下一代催化剂至关重要。在本综述中，借助Pourbaix图揭示了元素浸出的起源，该图提供了一个有说服力的规则来预测催化剂在其工作条件下的稳定性。随后，介绍了先进的显微镜、光谱和其他表征方法，以分析因OER过程中组分浸出引起的催化剂在形貌、结构、成分、电子构型等方面的变化。特别是，新兴的原位/操作方法对于捕捉催化剂在OER条件下的动态变化非常重要，从而推动对浸出过程的理解。
重点讨论了催化剂在OER过程中的非活性组分浸出。根据每类OER催化剂的独特结构和性质，详细讨论了它们不同的浸出行为及其引起的效应。最后一部分涉及OER条件下的活性组分浸出。除了某些能够浸出和重新沉积的特定物种外，这通常代表催化剂的稳定性下降，并且经常发生在酸性OER中的贵金属电极上。在这方面，抑制浸出和提高基于Ru/Ir催化剂在酸性环境中催化稳定性的进展被重点介绍。
论文信息
Component leaching of water oxidation electrocatalysts
Gao Chen, Yanping Zhu*, Sixuan She, Zezhou Lin, Hainan Sun, Haitao Huang*
DOI: 10.1002/inf2.12609
Citation: InfoMat, 2024, 6(11), e12609
作者介绍
黄海涛，香港理工大学应用物理系教授长期从事电介质材料和新型低维纳米结构新能源材料的制备、性能表征及物理机制研究。至今发表包括Nature，Nature Photonics，Nature Communications, Joule，Chem和Matter等国际著名学术期刊论文300多篇。与“集成铁电之父”J.F.Scott教授联合编著《Ferroelectric Materials for Energy Applications》一书。曾荣获国土资源部科学技术二等奖（2017）和教育部高等学校科研优秀成果自然科学二等奖（2019年）。现任多个国际学术期刊编委、国际电化学能源科学院（IAOEES）理事、中国能源学会专家组成员和英国皇家化学会会士。黄海涛教授课题组目前主要研究方向是电介质材料和具有新型纳米结构的新能源材料的设计合成、性能表征及其物理机制的研究。
课题组主页：http://ap.polyu.edu.hk/apahthua/
朱艳萍，南京航空航天大学材料科学与技术学院教授，江苏特聘教授，香港RGC博士后。2018年博士毕业于南京工业大学化工学院，2018-2020年台湾大学博士后，2020-2023年香港理工大学博士后，2024年入职南京航空航天大学材料科学与技术学院。从事新能源材料与器件方面的研究，以及利用原位表征揭示电催化机理。主持香港RGC博士后项目、江苏特聘教授项目。以第一/通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environmental Science、ACS Energy Letters等国际著名期刊发表多篇论文，多篇论文入选ESI高被引论文，H-index 29，担任Carbon Energy、EcoEnergy、Energy Reviews青年编委。
陈高，南京信息工程大学化学与材料学院教授，江苏特聘教授，硕士研究生导师。博士毕业于南京工业大学化工学院，随后分别于南洋理工大学和香港理工大学从事博士后研究，获得“香港理工大学杰出博士后”和“香港研资局博士后奖学金计划”等项目资助。主要从事新能源材料与器件的研究，研究方向包括电解水制氢、电催化技术用于绿色合成、光催化以及耦合外场（光、电和磁等）促进小分子催化转化等。迄今在国际主流期刊发表SCI 论文 48 篇，ESI高被引论文4篇。第一和通讯作者（含共同）论文包括Science Advances，Matter，Advanced Materials（2 篇），Angewandte Chemie International Edition（2 篇），Energy & Environmental Science（2 篇），Advanced Functional Materials和InfoMat等国际著名刊物。
声明：此文是出于传递更多信息之目的。部分图片、资料来源于网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系后台删除。
