山东大学王安良教授 JMCA: 高性能酸性析氧催化剂的设计策略- 大数跨境

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山东大学王安良教授 JMCA: 高性能酸性析氧催化剂的设计策略

科学材料站

2021-01-20

导读：本文介绍了酸性OER的机理，讨论了在OER过程中电催化剂所扮演的角色。其次，详细地总结了高性能OER电催化剂的设计策略以及各个策略所面临的问题。

文章信息

高性能酸性析氧催化剂的设计策略

第一作者：张瑜，朱晓娟

通讯作者：王安良*

单位：山东大学

研究背景

酸性电解水制氢被广泛认为是一种将太阳能或风能存储为可持续氢能的有效途径，具有一系列优势，如离子导电性高、副反应少、质子浓度高和紧凑的系统设计等。其包括两个半反应：阴极发生的氢析出反应（HER）和阳极发生的氧析出反应（OER）。然而，与HER相比，OER动力学速率缓慢，而且在强酸性和高电势的条件下，OER催化剂的稳定性较差，极大地限制了酸性电解水制氢技术的实际应用。

目前，用于酸性OER的电催化剂主要依赖于贵金属（Ir和Ru）。而贵金属地壳中含量较低，价格昂贵，阻碍了其大规模应用。因此，开发高活性、高稳定性和低成本的酸性OER催化剂并深入研究其构效关系，对于促进酸性电解水制氢技术的发展具有重要的意义，同时受到了研究者的广泛关注。

文章简介

近日，山东大学王安良研究组在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Rational catalyst design for oxygen evolution under acidic conditions: strategies toward enhanced electrocatalytic performance”的综述文章。

首先介绍了酸性OER的机理，讨论了在OER过程中电催化剂所扮演的角色。其次，详细地总结了高性能OER电催化剂的设计策略以及各个策略所面临的问题。最后，提出了该领域未来研究的挑战及展望。

图1.设计高效酸性OER催化剂的策略

本文要点

要点一：酸性OER机理：

讨论吸附体演化机理(AEM)和晶格氧参与机理(LOM)；
分析催化剂的种类、反应电势等因素对OER机理的影响；

要点二：高效酸性OER电催化剂的有效设计策略

缺陷工程：

主要通过杂原子掺杂、合金化和空位构筑的方式引入缺陷，调节催化剂的表面化学性质和电子结构，提升催化剂的性能，并对此策略面临的问题进行了总结。
结构调控：

总结了催化剂的几何结构（如一维、二维和三维结构）对OER催化性能的影响；

另外，对单原子催化剂应用于酸性OER进行了详细讨论，对结构调控中存在的问题进行了分析。
原子排布调控：

通过晶面调控、晶相工程和无定型化的方式对催化剂原子排列进行调控，改变催化剂的配位环境和电子结构，从而实现OER催化性能的提升，并深入分析了原子排列调控中所面临的挑战。
界面调控：

着重讨论了金属/氧化物-金属氧化物界面、金属/氧化物-碳材料界面在酸性OER中的应用，并对界面-性能间的构效关系以及界面调控所存在的问题进行了详细的讨论、分析。

要点三：未来展望

虽然在酸性OER催化剂设计合成方面已经取得许多创新性成果，但仍面临诸多挑战：

1. 深入理解催化剂的电子结构与OER性能的关系；

2. 揭示在OER过程中催化剂溶解的机理；

3. 合理的选择异质元素用于提升催化剂OER性能；

4.寻求具有高效酸性OER性能的非贵金属基催化剂。

为了解决这些挑战，将借助先进的表征手段，如原位/在线分析技术、理论计算等，深入分析电子结构对催化性能的影响，揭示催化剂的溶解机理，指导设计合成具有高活性、高稳定性和低成本的酸性OER催化剂，催动酸性电解水制氢技术的发展。

文章链接

Rational catalyst design for oxygen evolution under acidic conditions: strategies toward enhanced electrocatalytic performance

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta11982b#!divAbstract

通讯作者介绍

王安良，山东大学教授/博导

2016年博士毕业于中山大学化学与化工学院，随后加入新加披南洋理工大学张华老师课题组（现香港城市大学）从事博士后研究工作，2018年末加入山东大学。多年来从事纳米能源催化材料的设计以及性能优化等方面的研究。近年来，以第一和通讯作者身份在Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed. 等学术刊物上发表多篇研究论文，被引用次数超过2500 次，H因子21。

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