Angew综述：Fe、Co、Ni基氧化物电解水OER

纳米技术

2021-06-18

电催化分解水是获取绿色氢气、实现可循环经济的重要步骤，现有的获得可持续电力、OER电催化剂是实现大规模电催化获得绿色氢气的主要需要克服的挑战。人们发展了广泛种类的OER电催化剂，通过降低过电势、改善缓慢的动力学过程进行优化催化剂。其中，Co, Ni, Fe基催化剂受到广泛关注，被看作具有代替贵金属电催化剂的前景。这是因为此类过渡金属具有可调节的3d电子结构、自旋态，晶体结构、电子结构多种多样，自然界中的丰度非常高。有鉴于此，马克斯普朗克煤炭研究所Harun Tüysüz等综述报道了水分解的基本原理、OER催化的关键因素、发展高性能电催化剂的关键。另外，作者对目前Co, Ni, Fe基氧化物催化剂的发展进行介绍和总结，对绿色制氢、水分解领域中的挑战进行展望。

本文要点：

（1）

电催化OER反应基本问题。反应动力学、关键参数（实验条件、电极结构、工作电极的制备和粘接剂效应、测试技术、过电势和Tafel斜率、电化学阻抗、电化学表面积、法拉第效率、催化剂稳定性/耐久性）、发展电催化剂的准则（具有较高反应试剂接触面积、吸附位点优化的催化活性位点、较好的导电性有助于电极/反应物的界面电子转移、多孔结构改善传质）

（2）

过渡金属氧化物电催化剂。在氧化物、氢氧化物、合金等各种不同类型电催化剂中，氧化物表现最高的电催化前景。其中氧化物能够以钙钛矿ABO₃组成存在，但是此类材料的合成更加困难（通常需要更高的温度），难以构建纳米结构。相比而言，第一排过渡金属Mn、Fe、Co、Ni、Cu等广泛受到OER催化反应的关注，其中Fe、Co、Ni三种研究最为广泛和深入。

（3）

作者分别对Fe、Co、Ni三种金属氧化物进行讨论，随后对三种金属氧化物在电化学OER反应中进行比较，其中Ni相对于Fe、Co而言价格上更具优势，毒性更低，Ni在电解老化处理过程中转变为NiO/Ni(OH)₂，这种结构是真正的催化活性物种。虽然Fe的储量和丰度非常高，但是Fe基催化剂的导电性更弱，因此电催化活性更低。

（4）

前景和展望。对催化剂的纳米尺度传质情况进行测试，尤其是多孔催化剂面临着氧气分子捕获并且覆盖在催化剂位点上；通过Ag、碳等导电性材料改善电催化剂的导电，降低电极材料的价格；使用先进的表征方法对催化剂电子结构、表面结构变化情况进行研究。将电催化剂合成与制备电极结合，发展耐纯度较低水的电解池，解决电催化过程电力提供需求问题，H₂的存储和分配。

参考文献

Mingquan Yu, Eko Budiyanto, Harun Tüysüz*, Principle of Water Electrolysis and Recent Progress of Cobalt, Nickel, and Iron-based Oxides for Oxygen Evolution Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2021

DOI: 10.1002/anie.202103824

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202103824