张强Chem Soc Rev综述：无贵金属双功能ORR/OER电催化剂的研究进展

Nanoyu

2021-05-23

氧还原（ORR）和析氧反应（OER）是许多重要的能量存储或转换技术的核心反应过程。然而，氧氧化还原反应缓慢的动力学和对贵金属基电催化剂的严重依赖严重制约了相关器件的能效。因此开发高性能、无贵金属的双功能ORR和OER电催化剂已经引起了世界各国研究人员的关注，并在过去的十年里取得了许多重要的进展。

近日，清华大学张强教授，北京理工大学Bo-Quan Li根据无贵金属双功能ORR/OER电催化剂的设计原理和功能组成，系统总结了其近年来的研究进展。

文章要点

1）单组分双功能ORR/OER电催化剂由单一活性组分组成，具有ORR和OER电催化活性。一方面，单组分双功能电催化剂材料组成简单，化学合成简单，具有较好的双功能性能。另一方面，人们可以将它们作为基本模型从而在原子水平上揭示活性中心结构与性能的关系，为进一步设计先进的双功能电催化剂奠定了基础。作者首先总结了三类碳基双功能电催化剂的活性中心，包括杂化原子、拓扑缺陷和M-N-C单原子中心，总结了它们的合成策略、独特优势和电化学性能。然后讨论了过渡金属化合物及其阳离子/阴离子调节衍生物，最后是分子双功能电催化剂的研究进展。

2）复合双功能电催化剂至少由两个组分组成，它们的ORR和OER电催化活性来源于不同的活性中心。这种复合特征提供了单独设计和构建不同的ORR和OER活性位点的机会，其优点是活性位点的来源更广，调节策略更适用，并可能提供额外的途径来进一步调节ORR/OER活性位点。因此，复合型电催化剂通常表现出比单组分电催化剂更好的性能。然而，合成增加了消耗合成和表征的复杂性，复杂的多相边界和异质结，以及充分整合活性位点以实现它们之间可能的协同效应。考虑到其优点和挑战，开发高性能复合双功能电催化剂作为一个研究前沿备受关注。作者详细总结了多种过渡金属化合物的复合物以及过渡金属化合物和碳材料的复合物，其中重点在于阐明活性位点选择、整合以及它们之间的积极协同效应。

3）在电催化过程中，电催化剂与反应物/中间体相互作用，参与电化学反应，并伴随着复杂的结构演化。这些结构的演变直接关系到催化剂的电催化活性、反应路径选择性和长期耐久性。为了从机制上指导双功能电催化剂的进一步合理设计，作者总结了几种具有代表性的活性中心在ORR和OER过程中的结构演变。

4）作者从线性扫描伏安法(LSV)曲线记录的双功能电催化性能，从ORR活性（E_1/2，达到极限电流密度的一半的电位）、OER活性（E₁₀，电流密度为10 mA cm^-2时的电位），以及最重要的是，它们的总体双功能性能（△E，E_1/2和E₁₀之间的差）进行了系统的总结。通过对已报道的双功能电催化性能进行了统计“大数据”分析，以揭示组成-性能关系，并指导对新出现的候选材料的进一步探索。

5）作者最后展望了未来先进的双功能氧电催化剂的研究方向，从而指导其基础研究和实际应用。

参考文献

Chang-Xin Zhao, et al, Recent advances of noble-metal-free bifunctional oxygen reduction and evolution electrocatalysts, Chem. Soc. Rev., 2021

DOI: 10.1039/d1cs00135c

https://doi.org/10.1039/d1cs00135c