电催化学术

水氧化或析氧反应(OER)是将两个水分子中的两个氧原子结合并释放出一个氧分子，它通过提供析氢、电化学二氧化碳还原和固氮所需的质子和电子而发挥关键作用。多电子转移OER过程涉及多个反应中间体，并且需要较高的过电位来克服迟缓的动力学。在不同的水分解装置中，质子交换膜(PEM)电解槽具有更大的优势。然而，PEM电解槽中电流阳极OER电催化剂仅限于贵金属铱和钌氧化物。开发高活性、稳定、无贵金属的酸性介质水氧化电催化剂是PEM电解槽大规模应用的重要方向。近年来，各种类型的无贵金属催化剂如碳基材料、过渡金属氧化物和多种金属氧化物混合物被研究，其中一些在酸性OER过程中表现出良好的活性和稳定性。

有鉴于此，新加坡南洋理工大学刘彬教授和HuabingTao等人，首先讨论了水氧化的热力学、水溶液中金属元素的Pourbaix图以及酸性OER无贵金属电催化剂的理论筛选和预测。总结了酸性OER的催化性能、反应动力学和机理以及未来的研究方向。

本文要点

要点1.水氧化反应与金属元素在水溶液中的热力学可以用作材料在OER过程中稳定的初步考虑，但仍需考虑溶液中离子浓度对材料热力学稳定性的影响。另外，热力学不稳定的材料，如果腐蚀动力学足够缓慢，也可以用于OER催化剂。近年来，DFT理论计算已经用于分析复合氧化物的热力学稳定性，对材料筛选起着重要的推动作用。一些单金属氧化物表现出优异的活性，而多元金属氧化物也是一个很具前景的研究体系。通过实验方法确定反应物或生成物的反应级数是推测反应机理的重要手段，与原位表征手段的结合可以得到更另人信服的结论。

要点2.今后的研究方向包括：1)开发高活性多金属配合物；2）通过最大限度地提高原子利用率来最大限度地减少贵金属的使用；3）水电解槽的设计。热力学研究表明，无论pH值如何，由于金属氧化物晶格中氧阴离子的热力学不稳定性，任何金属氧化物在析氧条件下都会变得不稳定。也就是说，OER催化剂在反应条件下的溶解或腐蚀似乎是不可避免的。然而，如果电解质中存在活性成分的离子，则催化剂可以自我修复并变得功能稳定，溶液中金属离子浓度的增加可以增强金属氧化物的稳定性。因此，根据自愈机制，可以通过在电解质中引入活性金属离子来克服OER催化剂的稳定性挑战。然而，含有活性金属元素的电解质可能会影响质子转移和PEM的长期稳定性。因此，需要重新设计当前的PEM电解槽或增强PEM对金属离子的抵抗力来克服这个问题。

JiajianGaoetal.ProgressofNonprecious-Metal-BasedElectrocatalystsforOxygenEvolutioninAcidicMedia.AdvancedMaterials,.

DOI:10./adma.

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