天津大学Chem Catalysis综述：OER中缺陷工程促进催化剂重构
学术
2024-12-10 18:40
上海
开发电解水制氢、可充电金属-空气电池等电化学过程为解决能源危机和环境污染提供解决方案，但是目前电化学过程面临着OER反应动力学缓慢的问题，需要使用价格昂贵的贵金属催化剂、活性位点稀少等问题，阻碍了过渡金属氧化物的商用化。人们发现缺陷工程成为一种具有前景的技术，能够优化过渡金属氧化物的电子结构、导电性、活性位点，改善过渡金属氧化物催化剂。早期的研究主要关注于过渡金属氧化物的静态热力学参数，包括阻抗、过电势、能带，但是对于催化剂表面重构等动态问题以及反应过程中的机理转变考虑较少。有鉴于此，天津大学王召等综述报道缺陷结构、催化剂表面重构、反应机理之间的内部关系。要点1. 从先进实验和理论计算研究角度讨论如何更好的理解OER电催化反应过程中催化剂的表面重构。自从1930年前后， J. Frenkel, W. Schottky, C. Wagner等人提出了缺陷结构和固体材料物理化学性质之间的关系，缺陷在材料中的作用受到广泛关注。有关缺陷在OER催化活性中起到增强作用的文献非常多，但是目前能够将缺陷结构和内在催化活性增强机理形成对应关系仍是个巨大挑战。要点2. 通过先进的DFT理论计算和表征技术的发展，研究者逐渐认识到缺陷和催化剂热力学之间建立理论关系的重要性。比如，发现缺陷能够产生缺陷能级的方式收缩能带，而且缺陷位点附近的电荷离域导致增强催化剂的导电性。缺陷结构能够优化中间体的吸附，降低OER反应的过电势。但是，只是描述催化剂的静态热力学性质无法在催化剂缺陷和催化活性之间建立结构-性能之间的关系。催化剂的动态性质与催化活性同样重要，通常催化剂的动态变化与催化剂性质更相关。这通常是因为催化剂表面动态结构变化导致。因此表征催化剂的表面结构变化非常重要。要点3. 通过原位表征技术的快速普及，研究者更多的发现过渡金属催化剂在电化学反应过程中并不是处于单一的稳定结构状态。比如，原位XAS表征、原位XPS表征、TEM电子显微镜技术。Jingxuan Zheng, Zhao Wang, Defect engineering for surface reconstruction of metal oxide catalysts during OER, Chem Catalysis 2024, 4, 101091DOI: 10.1016/j.checat.2024.101091https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S266710932400263X
