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电催化析氧反应过渡金属硫化物催化剂研究进展

2022-09-05唐志红王勇智

有色金属材料与工程 2022年4期
关键词:催化剂

孟 梦,唐志红,王勇智,于 琼

(上海理工大学 材料与化学学院,上海 200093)

随着世界人口的持续快速增长和社会的飞跃式发展,全球对能源的需求持续攀升,化石燃料的超标化利用及其对自然资源造成的严重污染,使可再生清洁型能源的应用引起研究者的广泛关注。氢气具有无碳、高能量密度、完全燃烧产物为水等诸多优点,被认为将会成为未来最理想的可替代能源之一。通过电解水装置、光催化分解水装置制备氢气,为解决能源枯竭和环境问题提供了新的解决方案,两个基本反应分别为析氢反应(hydrogen evolution reaction,HER)和析氧反应(oxygen reduction reaction,OER)。其中,OER 为四电子转移过程,涉及3 个表面吸附中间体(OOH*、O*、OH*),具有很高的动力学势垒,需要较大的过电势来驱动电化学反应,从而阻碍水分解技术大规模应用。Ru/Ir 氧化物是OER 中最活跃的催化剂,但因其价格昂贵、来源稀缺等显著特点,导致它们难以大规模生产应用。因此,制备出低成本、高效、稳定性好的非贵金属OER 催化剂是加快能源转换的迫切需求。近几年,过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、硒化物、氮化物等作为高效OER 催化剂引起研究人员的大量关注。其中,过渡金属硫化物因其具有低成本、低过电势、高稳定性等优点,具有与RuO、IrO等贵金属基催化剂相媲美的优异催化活性。

本文首先介绍过渡金属硫化物在酸性和碱性介质中OER 的反应机制,阐述阻碍OER 动力学的关键因素。然后通过对近几年的研究进展进行概述,总结设计和合成策略、化学成分和结构及过渡金属硫化物(transition metal sulfide catalysts,TMSs)与基体之间存在的协同效应。……

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