铂基催化剂的氧还原反应路径调控

作     者：张利利 蒋苏毓 马炜 周震 Lili Zhang;Suyu Jiang;Wei Ma;Zhen Zhou

作者机构：郑州大学化工学院先进功能材料制造教育部工程研究中心河南郑州450001 

出 版 物：《Chinese Journal of Catalysis》 (催化学报（英文）)

年 卷 期：2022年第43卷第6期

页      面：1433-1443页

核心收录：

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0806[工学-冶金工程] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(51702291) 国家博士后科学基金(2020TQ0278,2020M672282). 

主　　题：氧还原反应 电催化剂 铂 选择性 过氧化氢 

摘      要：随着世界人口的不断增长及人类生活质量的提高,人类对能源的需求逐步增加.这将加快化石燃料的枯竭,并导致环境和气候问题日益严峻.各国政府积极部署能源策略改革,逐步减弱各行业对煤炭等化石燃料的依赖.2020年,中国政府宣布将实施更加有效的政策和措施,并于2030年和2060年分别实现“碳达峰和“碳中和目标.开发金属-空气电池、质子交换膜燃料电池以及绿色电化学合成等储能与转换技术,是解决环境问题、保证清洁能源被高效可持续利用的重要手段之一.如何提高装置的储能与转换效率是商业化应用面临的挑战之一,而加快电极反应的动力学过程是解决这问题的根源.氧还原反应(ORR)作为可充电电池、原电池、电解池装置中的重要反应,其缓慢的动力学过程,限制了电池的能量密度和电合成效率.开发高效稳定的电催化剂可以应对这一挑战.然而,商用Pt/C催化剂却面临着储量有限、价格高、性能不能达到实际应用需求的问题;非Pt催化剂发展迅速,但其替代Pt基催化剂仍面临诸多问题和挑战.因此,更多的研究应聚焦于解决Pt基催化剂的瓶颈问题.近年来,关于提高低Pt催化剂的ORR性能研究取得了一定进展,分别采用不同的策略促进以H_(2)O为产物的4e-ORR和以H_(2)O_(2)为产物的2e-ORR.本文从吸附能和空间结构角度,系统总结和讨论了优化Pt基催化剂4e-ORR/2e-ORR性能的调控策略,明确了ORR活性和选择性的关系及其调控策略.具体而言,含氧物种在Pt位点上的吸附强度对ORR的动力学过程(活性)起关键作用,而O‒O键的解离/保留对ORR路径(选择性)有决定性影响;暴露更多活性位或提高单个活性位点的催化能力的相关策略所引起的配体效应、电子效应、应力效应等赋予Pt位点一定的功能性质,选择性催化氧还原以4e或2e转移途径进行.最后,归纳了Pt基催化剂在催化ORR的应用研究中存在的问题和面临的挑战,并对未来的研究发展提出了展望.