Nature：OER反应中的催化剂充电机理、动力学研究

纳米技术

2020-11-19

OER产氧反应在多种能源相关过程中都非常重要，电催化剂通过有效的改善电子转移过程改善反应速率，而且促进化学键的形成/断裂过程。电催化反应过程中包含复杂的电化学动力学过程，难以控制和调控，动力学和过电势有较大的关系，会随着过电势变化呈指数级变化。该过程能够通过Butler-Volmer理论进行阐释，通过在准平衡/假定稳态中进行Tafel分析。但是，在外加电压条件中，催化剂界面上的带电情况发生变化，该过程对电催化反应的影响（电催化反应速率、Tafel分析）未得到广泛关注。有鉴于此，马克斯·普朗克化学能转化研究所Detre Teschner、马克斯·普朗克学会弗里兹·哈伯研究所Travis E. Jones等报道了通过瞬态伏安法、现场X射线光谱对IrO₂电催化剂测试，发现偏压未对反应过程产生直接影响，但是通影响催化剂上的电荷聚集变化影响电催化产生的电流变化、电催化动力学。

本文要点：

（1）

对无定形/结晶性较弱的IrO_x催化剂进行循环伏安测试，发现在0.8~1.0 V附近、OER起始电压附近分别产生Ir^III/Ir^IV、Ir^IV/Ir^V的还原对信号，该过程类似电容器的工作过程，展示了一种电荷储存机理。在XAS表征过程中，发现在稳态测试过程中，随着偏压增加，Ir的氧化态发生线性提高（在充电的电荷量在20 mC内）。当充电电荷量高于20 mC，Ir的化学价不再升高，多余的电荷开始展现出催化作用。

（2）

界面上氧化反应导致电荷聚集导致反应活化能降低，该过程的关系呈线性变化。发现通过相关测试/计算，能够对电催化性能进行评估和预测。

（3）

这个研究结果有助于对其他电催化剂行为的理解，指导新型高性能电催化剂的设计。展示了催化剂中内球机理过程对OER反应速率的影响，建立了热催化-电催化反应的关系，可能对传统催化剂如何用于电催化剂提供经验。

参考文献

Detre Teschner*, Travis E. Jones* et. al. Key role of chemistry versus bias in electrocatalytic oxygen evolution, Nature 2020, 587, 408-413

DOI: 10.1038/s41586-020-2908-2

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