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新能源技术中电催化活性的理论筛选因子

Science China Press

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IMAGE: (a) 电化学反应的不同筛选因子和燃料电池中 (b) 析氢反应的催化循坏 (c) 析氧反应的催化循坏 (d) 氧还原反应的催化循坏 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

近年来,金属-空气电池和燃料电池技术等储能器件,作为非常重要的清洁、环保的新能源技术得到国际社会的高度关注,但过高的过电位导致能源转化效率低、副反应严重等问题,严重制约实际应用,因此,筛选合适的催化剂降低过电位,对新能源的性能至关重要。但实验在表征界面催化能力方面存在难度,以第一原理计算为代表的理论研究,通过对电子结构的细致描述,选取合适的理论筛选因子,揭示界面催化机制,为实验筛选高活性催化剂提供指导。

基于新能源技术中电催化反应现状,南方科技大学张文清教授联合中国科学院上海硅酸盐研究所刘建军研究员,对描述新能源技术中电催化反应活性的理论计算筛选因子进行了简要综述,近期以“Adsorption-Energy-Based Activity Descriptors for Electrocatalysts in Energy Storage Applications”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, 2017, https://doi.org/ 10.1093/nsr/nwx119)。

文章指出,尽管新能源技术的电催化反应类型多种多样,如电解水、制氨反应等,但存在普适的理论筛选因子描述电催化反应的催化活性,并总结了吸附能、d电子数、电荷转移能力等理论筛选因子在析氢反应、氧化/还原反应中对催化活性的关系规律。其中,吸附能作为描述界面催化中反应物吸附过程和生成物去吸附过程竞争关系的重要物理量,对理解电催化反应的催化机制至关重要;通过d电子-能带理论,描述催化剂组分、结构对吸附能的关系规律,建立了催化剂自身物理性质与催化活性的构效关系;同时,催化剂电荷转移能力直接影响电荷通过“吸附物/催化剂”界面的能力,是影响催化活性的关键因素。

文章相信,这些筛选因子通过描述“吸附物/催化剂”之间的界面电子耦合关系,揭示界面催化机制,可以加速对新能源技术高活性催化剂的筛选;同时,文章强调,即使解决了催化活性的问题,在实际应用之前,依然面临催化剂问题和安全问题。

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