自支撑过渡族金属基电催化析氧材料在碱水电解中的理论基础、研究现状及发展趋势

作者：彭伟良; 袁斌

来源：材料导报, 2021, 35(09): 9174-9185.

• 过渡族金属
• 析氧反应
• 电催化
• 碱水电解

发展清洁的可再生能源(如太阳能、风能等)是人类社会实现可持续发展的必然选择。在众多新能源技术中,尤其是碱水电解领域,析氧反应起着关键的作用。然而,析氧反应是一个四电子-质子耦合反应,动力学缓慢,被认为是实现高效电解水的一大阻碍。使用高效催化剂可有效地降低析氧反应过电位,提高电解过程中的能量转换效率。近十几年来,对析氧反应机理和高效催化剂的研究取得了长足的进展,以RuO2和IrO 2为代表的贵金属氧化物展现了极高的催化活性,但受限于贵金属元素较低的储量及高昂的价格,很难在工业上广泛应用。而过渡族金属催化剂储量丰富、价格低廉,且具有较好的催化活性,有望成为贵金属催化剂的替代品,在工业化电解水中大规模应用。目前,过渡族金属催化剂多数为粉末态,需要在粘接剂的作用下涂覆至导电基板上,这会对催化剂的活性位点数量、导电性以及稳定性等带来诸多不利影响,因此,研发高效、稳定、经济的自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂至关重要。然而,传统的自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂本征催化活性较差,且受限于较小的比表面积,不能充分地暴露催化活性位点,导致整体催化活性偏低。此外,它们在强碱性电解液和高阳极电位下的化学稳定性较差,容易发生腐蚀,导致催化活性进一步降低。为了解决这些关键问题,研究者们提出了一些提高自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂活性的有效策略,诸如多孔化和纳米化、强化协同效应和电子效应、形成界面耦合和电子调控下的异质结等,并提出了相应的制备方法,如水热法、电沉积法、化学气相沉积和室温化学浴等。与此同时,研究者们也对自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂的过电位、Tafel斜率等关键评价指标进行了探讨,希望建立起一个客观公正的评价标准。本文总结了近年来自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂的重要研究进展,系统地介绍了析氧反应机理和过渡族金属催化剂的种类,并着重叙述了提高自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂活性的策略及制备该催化剂的方法,最后讨论了自支撑过渡族金属基析氧反应催化剂的评价标准和现存问题及未来发展方向。

• 单位
  华南理工大学