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氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）是电化学能源转换系统（如水电解、燃料电池和金属-空气电池）的关键反应，但它们的迟缓动力学限制了这些系统的效率。近年来，针对OER和ORR的催化剂研究取得了显著进展，特别是原位监测技术的发展，使得对反应中间体和反应机制的理解更加深入。本综述总结了近年来OER和ORR催化剂的研究进展，重点探讨了通过原位监测手段对反应机制的探索，指导新型高效催化剂的设计。
成果简介
本文综述了氧析出与还原反应的催化剂设计进展，详细分析了不同催化剂的活性机制，并引入了通过原位技术监测催化反应中间体和结构变化的方法。基于这些观察，进一步理解了Sabatier原理在催化剂优化中的应用，并提出了未来的研究方向。
研究亮点
原位监测技术的应用: 利用原位X射线吸收光谱（XAS）和拉曼光谱技术，实时监测了OER和ORR反应中的中间体生成与转化过程，为催化剂设计提供了新见解。
活性火山图的分析: 通过结合能与反应活性的关系，构建了OER和ORR的火山图，阐明了催化剂在不同条件下的活性优化路径。
新型催化剂的设计原则: 基于原位监测结果，提出了通过调节电子结构、氧空位和吸附中间体能量的新设计策略，显著提升了催化剂的选择性和稳定性。
配图精析
图1: 氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）催化剂在不同电势下的极化曲线。图中展示了不同催化剂的起始电位和半波电位的比较，突出强调了反应迟缓的动力学对整体能量效率的影响。这有助于研究者在选择催化剂时，关注其电位窗口内的活性表现。
图2: OER反应机理循环图。
图3: 基于Sabatier原理的OER活性火山图。此图展示了通过调节催化剂吸附中间体的结合能来优化OER催化剂活性。火山图揭示了在催化剂设计中吸附强度的关键作用，指出了通过适度调节吸附能量可以提升OER效率的路径。
展望
本综述系统性地总结了近年来OER和ORR催化剂的设计和研究进展，强调了原位监测技术在揭示反应机制中的关键作用。通过这些技术手段，研究人员能够更精确地调控催化剂的电子结构和表面特性，为未来开发更高效、更稳定的电催化材料提供了重要参考。
文献信息
标题: Oxygen Evolution and Reduction Reaction Catalysts: From In-Situ Monitoring and Reaction Mechanisms to Material Design
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-51478-4
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51478-4
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