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燃料电池是一种新型的能源转换设备,而催化阳极氢氧化反应(HOR)的目前最高效催化剂仍然是贵金属Pt基催化剂。为了降低成本,亟需开发用于HOR的非铂族金属电催化剂,从而维持氢燃料电池的高效运行,并实现未来氢能经济。然而,与阴极氧还原反应和电化学析氢反应相比,非铂族金属HOR电催化剂的构筑仍处于早期开发阶段。
鉴于此,浙江大学潘洪革教授、孙文平研究员和西安工业大学陈建教授等人,总结了近年来非铂族金属电催化剂的最新研究进展,指出了合理设计非铂族金属电催化剂所面临的关键挑战,以期促进非铂族金属电催化剂的未来发展。
本文要点:
1) 首先回顾了对HOR机理的基本理解,其中特别讨论了对碱性介质中低HOR动力学的理论解释,包括氢键能理论(HBE)、双功能机理和水分子重组。
2) 随后,分别总结了在酸性和碱性介质中典型的非铂族金属HOR电催化剂的研究进展。对于碱性条件下的HOR,重点讨论了镍基催化剂的优势和挑战。
3) 最后,本文对非PGM电催化剂面临的挑战和未来的发展方向进行了展望,非铂族金属电催化剂的进一步发展需要从以下几个方面进行考虑。首先,对于金属基的HOR电催化剂来说,保持金属物种的金属性质是提高活性和耐久性的主要任务;其次,理论研究与实验研究相结合,对于洞悉HOR的机理以及后续的电催化剂设计具有重要意义;第三,目前碱性HOR/HER电催化剂的设计原则主要是基于HBE理论和双功能理论,减轻HBE过强,创造H*和OH*吸附的双活性位点是非常必要的,一些最新发现忽视了相关理论,如界面水分子重组等。
Guoqiang Zhao, et al. Non-platinum group metal electrocatalysts toward efficient hydrogen oxidation reaction. Adv. Funct. Mater.2021, 2010633.
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