顆粒在線訊：研 究 背 景

析氧反應(yīng)（OER）在水分解，CO2還原和可再生電燃料電池等各種電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。質(zhì)子交換膜水電解槽（PEMWE）技術(shù)由于運(yùn)行電流密度更大, 產(chǎn)生氫氣純度更高, 可利用間歇性可再生能源等優(yōu)勢(shì)吸引了廣泛的研究及應(yīng)用. OER動(dòng)力學(xué)遲緩、貴金屬電極材料的有限選擇和催化劑在強(qiáng)氧化強(qiáng)酸性介質(zhì)中的降解, 以及PEMWE各組件選擇是PEMWE技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。

因此, 從根本上了解反應(yīng)機(jī)理，催化劑失活原因, 全面總結(jié)OER催化劑以及目前在PEMWE實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)狀對(duì)于開發(fā)具有更好性能, 更低成本PEMWE陽(yáng)極催化劑, 推動(dòng)相關(guān)電化學(xué)系統(tǒng)的商業(yè)化長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要意義。

文 章 簡(jiǎn) 介

基于此，來(lái)自天津大學(xué)的天津大學(xué)鄒吉軍、黃振峰、潘倫課題組，在國(guó)際知名期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表題為“Advances in Oxygen Evolution Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”的綜述文章。

綜述首先深入分析了包括吸附氧化機(jī)理(AEM)和晶格氧反應(yīng)機(jī)理(LOM)在內(nèi)的析氧反應(yīng)機(jī)理, 由機(jī)理的理解開發(fā)創(chuàng)新材料和闡明催化劑降解的起源。第二部分從強(qiáng)調(diào)構(gòu)效關(guān)系角度綜述了酸性介質(zhì)中析氧電催化劑在的研究進(jìn)展, 第三部分重點(diǎn)介紹目前PEMWE各個(gè)組件的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀, 并且重點(diǎn)討論了未來(lái)有工業(yè)化前景的催化劑,最后，概述了PEMWE發(fā)展尤其是酸性介質(zhì)中析氧反應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究面臨的挑戰(zhàn), 并提出獨(dú)到見解以啟發(fā)未來(lái)研究。

圖1. 電解水理論和應(yīng)用的重大發(fā)展時(shí)間線。

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)一：酸性介質(zhì)中OER反應(yīng)機(jī)理-催化劑失活機(jī)理的理解

吸附氧化機(jī)理(AEM)和晶格氧反應(yīng)機(jī)理(LOM)是在酸性介質(zhì)中被認(rèn)為最合理的兩種機(jī)理。催化劑通過(guò)哪一機(jī)理發(fā)生催化反應(yīng), 選擇單位點(diǎn)還是雙位點(diǎn)途徑和材料本身的電子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系, 結(jié)晶度好的氧化物幾乎沒有缺陷，傾向于采用AEM，在單個(gè)活性金屬位點(diǎn)上通過(guò)*OOH中間體，即所謂的酸堿途徑，或者在兩個(gè)相鄰的金屬位點(diǎn)上，通過(guò)*O中間體，即O-O直接耦合途徑.而在具有豐富氧空位的無(wú)定形金屬氧化物和一些具有高金屬氧共價(jià)的鈣鈦礦中，晶格氧機(jī)理發(fā)生在遭受水親核攻擊的單個(gè)活性氧位點(diǎn)或通過(guò)兩個(gè)相鄰反應(yīng)晶格氧原子的直接耦合，產(chǎn)生的氧空位將被水分子或大量氧原子補(bǔ)充，同時(shí)由此產(chǎn)生的不飽和金屬位點(diǎn)更容易溶解, 帶來(lái)催化劑穩(wěn)定性問(wèn)題。

要點(diǎn)二：酸性O(shè)ER催化劑進(jìn)展

在酸性介質(zhì)中貴金屬Ru 和 Ir 基催化劑具有優(yōu)異的活性和可應(yīng)用性, 優(yōu)于其他鉑族金屬（如 Rh、Pd 和 Pt）. 盡可能多地暴露活性位點(diǎn)，提高本征活性，以盡量減少貴金屬消耗, 同時(shí)兼顧長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性是催化劑設(shè)計(jì)必須面臨的問(wèn)題。對(duì)于負(fù)載催化劑，金屬-載體相互作用和基底的導(dǎo)電性至關(guān)重要。

本節(jié)討論酸性O(shè)ER材料發(fā)展，并強(qiáng)調(diào)從機(jī)理分析性能提高. 對(duì)金屬性質(zhì)(合金, 單原子等)催化劑, 氧化物(釕/銥氧化物, 非貴金屬氧化物), 金屬氧酸鹽類(鈣鈦礦, 燒綠石, 其它氧酸鹽類), 其它無(wú)機(jī)金屬和非金屬材料進(jìn)行全面綜述。

要點(diǎn)三：PEMWE應(yīng)用現(xiàn)狀

PEMWE的組裝方法, 實(shí)際運(yùn)行條件, 包括離聚物, 膜, 氣體擴(kuò)散層, 極板, 催化劑層在內(nèi)的各個(gè)組分都是影響PEMWE性能的關(guān)鍵參數(shù). 對(duì)各個(gè)組分的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述, 同時(shí)對(duì)有實(shí)際應(yīng)用前景的催化劑進(jìn)行分析, 包括負(fù)載型催化劑, 銥/釕為主體的摻雜型催化劑。

要點(diǎn)四：總結(jié)和前瞻

借助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法和先進(jìn)表征技術(shù)發(fā)展在揭示酸介質(zhì)中動(dòng)態(tài)OER的復(fù)雜性和開發(fā)高效穩(wěn)定的電催化劑方面取得了重要成就。但所開發(fā)的催化劑及相關(guān)器件的性能與工業(yè)應(yīng)用之間仍存在一定的差距。

為了加快PEMWE的發(fā)展，深入理解電極反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,對(duì)具有實(shí)際應(yīng)用前景的催化劑的進(jìn)一步發(fā)展, 催化劑性能的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則, 對(duì)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究中水系模型和實(shí)際操作差異的理解, 集成膜電極組件的開發(fā)需要更多的研究。

文 章 鏈 接

Advances in Oxygen Evolution Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103670