王者归来!OER问鼎Nature
小纳米 2020-11-19

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第一作者:Hong Nhan Nong, Lorenz J. Falling

通讯作者:Travis E. Jones,Detre Teschner

通讯单位:德国马普所

 

研究亮点:

1. 发现所施加的偏压并不直接作用于OER反应,而是通过电荷在催化剂中的积累影响电催化产生的电流。

2. 发现随着存储的氧化电荷量的增加,活化自由能呈线性降低。

 

 

在当今能源领域,电催化OER不可或缺。

 

OER为可再生电能转化为化学燃料提供了质子和电子,电催化剂通过促进所需的电子转移以及化学键的形成和断裂来加速反应。

 

不同的路,会有不同的风景。

OER反应发生的路径不同,会导致复杂的电化学动力学,并以指数级的程度取决于过电势,这对于理解和控制OER反应的性能带来了挑战。

 

研究表明,当所施加的偏压按照巴特勒-沃尔默理论(主要考虑电子转移)推动反应进行时,尚可以使用Tafel来进行理解和分析。然而,在偏压作用下,催化剂表面所带的电荷也会影响化学键的形成和断裂,这对于电催化速率的影响尚未可知,Tafel也无法解释清楚。

 

那么,到底是谁决定了OER性能?

 

有鉴于此,德国马普所Travis E. Jones和Detre Teschner等人系统研究了电催化OER过程中偏压和化学的关键作用,解析了催化剂表面电荷对OER活性的影响,为OER机理开启了新篇章。

 

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图1. IrOx/Ti-250°C电催化响应测试

 

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图2. 稳态条件下电荷储存

 

研究人员以经典的IrOx作为OER电催化剂,通过的脉冲伏安法和X射线吸收光谱法分析发现:所施加的偏压并不直接作用于OER反应,而是通过电荷在催化剂中的积累影响电催化产生的电流。

 

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图3. 表面pH-电荷相图计算

 

 

从深层次的化学角度,这项研究为如何控制电催化OER速率在热催化和电催化之间建立了基本的联系,从而使传统催化的工具和概念能够应用于电催化。最关键的是,研究发现,随着存储的氧化电荷量的增加,活化自由能呈线性降低,这一线性关系是电催化性能的基础,很大程度上决定了催化速率,而且可以通过测量和计算得出。

 

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图4. OER机理理论计算

 

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图5. IrO2电催化响应理论计算

 

总之,这些发现为更深入理解OER机制提供了新视角,将有助于更好地设计和改进具有更优异性能的OER电催化剂。

 

参考文献:

HongNhan Nong et al. Key role of chemistry versus bias in electrocatalytic oxygenevolution. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2908-2

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