Small: 碳质OER催化剂的研究进展

雨辰

2021-05-05

析氧反应（OER）有望通过水电解以氢的形式在未来的能量转换和存储中发挥重要作用。除了传统的贵金属或过渡金属氧化物基催化剂以外，碳质电催化剂还因其结构和组成的多样性以及丰度不受限制而倍受关注。

有鉴于此，德国亥姆霍兹联合会于利希研究中心Dina Fattakhova‐Rohlfing和布拉格化学技术学院Zdeněk Sofer等人，综述了碳基OER催化剂领域的最新进展，包括从“纯”或无意掺杂的碳同素异形体到杂原子掺杂的碳质材料和碳/过渡金属化合物再到金属氧化物复合材料，其中碳的主要作用为导电载体。此外，还讨论了有序碳骨架结构（金属有机骨架和共价有机骨架结构）领域的最新进展，这些材料允许合理设计杂原子掺杂的3D多孔结构，并定义掺杂原子的组成和空间排列，从而加深对碳质结构的OER机制的理解。除了介绍电化学活性的结构和组成来源外，还讨论了碳质材料的催化活性机理，它们在OER条件下的稳定性以及与金属（或金属氧化物）助催化剂结合使用的潜在协同作用。

本文要点

1）碳质OER催化剂近年来因其结构和组成的多样性而广受关注，并最终凭借其极具潜力的电催化活性与传统金属氧化物或金属氢氧化物电极甚至贵金属参比电极相媲美或超越其，主要是在碱性条件下。由于缺陷和杂原子掺杂结构提供的高本征OER活性，高表面积以及高电导率的结合，实现了具有低过电势的出色OER活性。然而，虽然这些策略是诱导碳质材料中碳原子的OER活性所必需的，但它们通常会降低电导率，而这对于总体上较高的OER电极活性是必需的，并且在高电流密度下起决定性作用。

2）SAC是相对较新的一种有前景的OER活性材料。SAC的主要优点是它们的高表面积和强金属-载体相互作用，从而具有很好的OER活性。然而，研究仍处于初级阶段，因为合成单金属原子或至少没有聚集的纳米团簇是相当具有挑战性的。

3）框架结构也可以被热解以进一步增加其电导率。这种用于OER催化的有序框架结构的方法已经导致形成了具有比非有序结构更好性能的复合催化剂。周期性骨架材料的结构和组成控制还可以通过分子构建单元的官能团或配位位点连接小的OER活性过渡金属(金属氧化物)纳米颗粒或SACs。该策略可以合理设计和精确控制传统三维碳结构中无法获得的催化活性位点的空间分布，进一步加深对碳质材料OER机理和金属/碳结构协同效应的理解。

参考文献：

Florian Zoller et al. Carbonaceous Oxygen Evolution Reaction Catalysts: From Defect and Doping‐Induced Activity over Hybrid Compounds to Ordered Framework Structures. Small, 2021.

DOI: 10.1002/smll.202007484

https://doi.org/10.1002/smll.202007484