EES: 用于水氧化的固态电催化剂中的晶格氧氧化还原化学

雨辰

2021-07-02

对析氧反应(OER)的基本认识至关重要，因为它主导着水电解的整体效率——这是一种可持续生产氢原料的引人注目的技术。近年来，由晶格氧氧化还原化学衍生的晶格氧介导机制(LOM)受到了广泛的关注，因为它可以使具有高金属氧共价的固态电催化剂替代物的高内在活性和表面重构问题合理化。LOM 的物理化学基础进一步指导了对高效 OER 电催化剂的探索。

有鉴于此，香港理工大学柴扬教授等人，综述了近年来固体OER电催化剂中晶格氧氧化还原化学及其诱导LOM的研究进展。

本文要点

1）首先简要介绍了LOM 以及提出的途径，并讨论了催化剂的电子结构与 OER 机制之间的基本相关性，以提供几种电子描述符。随后，总结了触发晶格氧氧化还原化学以促进内在 OER 活性的策略，以及用于证实晶格氧氧化的理论计算和实验测量。最后，展望了 OER 电催化剂中晶格氧氧化还原化学存在的挑战和未来的发展前景。

2）固态 TM 基电催化剂中的晶格氧氧化还原化学从根本上改变了 OER 反应途径。与传统的 AEM 相比，诱导的 LOM 在解释许多最近报道的固态 OER 电催化剂进展的反应动力学加速和低所需能量输入方面具有内在优势。因此，使用活化晶格氧进行合理的电催化剂探索是提高阳极 OER 活性并进一步降低可持续电解工业（例如水电解、CO2 转化和固氮）能耗的有吸引力的途径。通过对基于固态物理的电子能带结构的深入理解，研究人员推荐了几种电子描述符来确定候选电催化剂中的晶格氧是否可以被电化学激活并参与气态氧的演化，包括氧空位形成焓，金属-氧共价、O 2p 带的位置、TM nd 和O 2p 带之间的能量差以及电荷转移能量。受益于这些有效描述符的指导方针，科学家们在先进的 OER 电催化剂方面取得了巨大的成就，这些电催化剂具有涉及晶格氧氧化的高度内在活性。尽管取得了这些成就，

3）尽管取得了这些成就，但这一前景广阔的研究课题仍然存在一些问题和挑战，这也为进一步推进这一研究提供了机遇。具体来说，提出了未来研究的几个方向:1)探索新的合成方法。涉及晶格氧氧化的固态氧化物OER电催化剂主要通过固态反应方法或溶胶-凝胶方法合成，这需要长时间高温煅烧过程以达到相纯度和元素均质化。2)关于动态曲面重构。晶格氧氧化和交换在促进活性增强的同时，也表明电催化剂本身具有亚稳态表面，从而进行不可逆的结构重构。3)采用操作/原位XAS表征。目前，原位拉曼光谱和 DEMS 结合 ¹⁸O 标记实验已被用于解决 OER 过程中的晶格氧氧化还原化学。4)开展理论研究和预测。通过计算引导模拟的机理研究已经成熟地用于多相催化，包括催化剂主体的电子态以及反应中间体和反应途径的预测。

参考文献：

Ning Zhang et al. Lattice Oxygen Redox Chemistry in Solid-State Electrocatalysts for Water Oxidation. Energy Environ. Sci., 2021.

DOI: 10.1039/D1EE01277K

https://doi.org/10.1039/D1EE01277K