电催化中的三个核心科学问题【国自然科学问题寻找】

文摘   2024-11-15 05:49   美国  
科学问题的凝练不仅决定了国自然获批
也决定了一个科研人员的学术之路的成就
今天我们选取中国科学院编写的电化学学科的发展战略中
提到的电催化中的三个核心问题
可能你会纳闷这套书的份量很重吗?
毋庸置疑
先来看看中国科学院以及这套丛书的地位

中国科学院学部作为我国自然科学的最高学术机构和国家在科学技术方面的最高咨询机构,历来十分重视研究学科发展战略

2009年4月与国家自然科学基金委员会联合启动了“2011~2020年我国学科发展战略研究”19个专题咨询研究,并组建了总体报告研究组。

在此工作基础上,为持续深入开展有关研究,学部于2010年底,在一些特定的领域和方向上重点部署了学科发展战略研究项目,研究成果现以“中国学科发展战略”丛书形式系列出版,供大家交流讨论,希望起到引导之效。

也就是说这套书是基金委的另外一个朋友圈

是邀请领域大牛们对本领域长期发展方向以及存在问题的剖析

其重要性就不言而喻了

下面关于电催化中存在的科学问题,我们一起来看一看


在过去的几十年里,虽然电化学能源技术在各方面不断取得进步,但电催化的科学内涵却几乎没有得到深化和发展。与催化相关的材料研究和方法研究不断地产生新概念(如核壳结构、单原子催化剂等),然而电催化自身的研究却非常缺乏概念性的创新
由于“固/电解质界面”的复杂性,系统的电催化理论尚未形成,目前电化学家只能依靠经验推测电催化剂的构效关系,对更廉价、性能更优的电催化新体系的发掘几乎没有理论性指导
因此,借助快速发展的计算方法和先进的谱学技术,建立完善的理论体系并提出概念创新的研究思路,是电催化研究从本质上改变现状的关键

电催化的理论构筑和概念创新涉及以下三个核心科学问题:

( 1)电催化活性的微观表达。如何定量评估一个电催化剂的活性,是电

催化研究首先面临的问题

传统的法拉第电流和超电势的概念都是对电催化活性的宏观描述,如何从微观的角度表达电催化活性是建立现代电催化理论的首要任务

目前常采用吸附能描述催化表面与吸附中间体的相互作用,它只提供了反应中间态的热力学信息,尚无法直接与动力学电流相关联。电催化活性的微观表达应该是可积分的时间函数,它不仅与电荷转移速率有关,还受界面化学环境的影响。


(内容来自中国科学院编的这本书,最强大脑)

( 2)电催化剂的结构 - 性质关系。

电催化研究的目标是开发效率更高、寿命更长、更廉价的催化剂,因此建立电催化剂的原子/电子结构与催化活性的关系是最核心的课题但是,固体表面的原子/电子结构是一种静态的信息,而催化活性是涉及具体反应物的时间函数,两者之间无法直接建立联系。

比较切合实际的做法是,建立催化剂的原子结构与表面关键电子性质的关系,而该电子性质是催化活性表达函数的重要参量,由此结构 - 性质关系便可指导电催化剂创新。


( 3)电催化选择性调控。

电催化选择性是比电催化活性更高层次的课题。对于只涉及单一反应的电催化体系,可以只评估催化活性;但是对于涉及多个反应的电催化体系,催化选择性的研究变得尤为重要。

例如,氢氧化非贵金属催化剂的研究一直未能取得突破,其困难在于氢氧化和表面氧化这两个过程存在竞争。基于金属的电催化体系往往具有较高的催化活性,但催化选择性低;而分子电催化则相反,催化专一性高但催化效率相对较低。将这两者结合起来,继而推广为电场/化学场协同催化,可能是提升电催化选择性的有效途径。


只有独辟蹊径,才能避开竞争

从本质上看,竞争就是模仿,与他人竞争。

是因为你跟别人在做一样的事情。

但,每个人都是独一无二的

释放自己的独一无二,或许可曲径通幽……

科研圈尤为如此

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