金属氧化物电催化析氧机理的研究进展

电解水制氢是风能、潮汐能、太阳能等可再生能源转换和存储的重要途径。受限于四电子缓慢动力学过程,析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)是水分解的瓶颈反应。高活性析氧电催化剂是实现高效电解水制氢的关键之一。自从20世纪电解水发展以来,金属氧化物由于具有较好的活性和稳定性,是研究最深入也是最有发展前景的一类低成本析氧电催化剂。对催化反应机理的认识是高效析氧电催化剂理性设计的前提和关键,开发高效稳定的析氧催化剂并阐明其反应机理是目前析氧电催化领域的热点课题。按照一般异相催化的机理范式,人们提出了传统吸附机理,并建立了相应的活性预测模型来指导催化剂的研究。然而随着研究的深入,基于传统催化机理的活性预测模型和描述符的局限性日趋显现,部分新型催化剂的高活性和动力学特征无法用传统机理模型进行解释,析氧催化剂的研究也由此遭遇瓶颈。近年来,得益于各种先进表征手段和理论计算的飞速发展,新型析氧电催化机理逐渐被发展,为下一代高性能电催化剂的指明了方向。目前提出的新型催化机理主要有:晶格氧机理、双位点协同耦联机理、质子受体机理。同时,近期在一些催化剂中影响催化剂稳定性的阳离子析出机理也得以阐明。本文从梳理金属氧化物催化剂的结构和传统催化机理出发,对目前四种新型电催化机理——晶格氧机理、双位点协同耦联机理、质子受体机理和阳离子析出机理,进行了系统性分析,并对理论计算辅助的析氧机理研究以及电催化活性描述符进行了总结,最后对当前析氧电催化机理研究中存在的问题以及可能的解决方案进行了展望。本文期望可为相关领域的研究工作提供参考,从而有效推动下一代高性能析氧电催化剂的发展。

MoS_(2)/Mxene复合材料的制备及其中性析氧电催化性能

动力学缓慢的析氧反应是目前利用可再生能源进行水分解产氢的瓶颈,因此低成本的高效稳定析氧电催化剂是提高产氢效率的关键,发展适用于中性条件的析氧电催化剂则是未来研究趋势。发现水热法合成的MoS_(2)/二维碳化钛(Mxene)复合材料是一种高效稳定的中性析氧电催化剂,在0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(PBS,pH=7.2)中达到10 mA·cm^(-2)的电流密度,MoS_(2)量子点(QD)/Mxene仅需480 mV的过电势,比贵金属IrO_(2)催化剂降低了174 mV,在30次电化学循环伏安法活化过程中表现出优异的稳定性,旋转环盘电极测试表明其活化后的法拉第效率较高(92%)。进一步对比两类不同结构的复合材料MoS_(2)QD/Mxene和MoS_(2)纳米片/碳化钛(MoS_(2)NS/Mxene)的电催化性能和复合结构,证实了二维Mxene和MoS_(2)材料的复合界面作用是提高MoS_(2)析氧活性的关键。本研究结果不仅展示了一种新型的可在中性条件下稳定工作的高效复合析氧电催化材料,同时也为高效复合析氧电催化材料的优化和设计提供参考。