催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (12): 2987-3018.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64103-2

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基于理论指导的电催化剂调控: 从机制分析到结构设计

张明程, 张可新, 艾轩, 梁宵, 张琪, 陈辉(), 邹晓新()   

  1. 吉林大学化学学院, 无机合成与制备化学国家重点实验室, 吉林长春130012
  • 收稿日期:2022-05-31 接受日期:2022-07-14 出版日期:2022-12-18 发布日期:2022-10-18
  • 通讯作者: 陈辉,邹晓新
  • 作者简介:第一联系人:

    共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21922507);国家自然科学基金(21779046);国家自然科学基金(21621001);吉林省科技发展计划(YDZJ202101ZYTS126);吉林省科技发展计划(20210101403JC);吉林省教育厅科研项目(JJKH20220998KJ);111计划(B17020)

Theory-guided electrocatalyst engineering: From mechanism analysis to structural design

Mingcheng Zhang, Kexin Zhang, Xuan Ai, Xiao Liang, Qi Zhang, Hui Chen(), Xiaoxin Zou()   

  1. State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China
  • Received:2022-05-31 Accepted:2022-07-14 Online:2022-12-18 Published:2022-10-18
  • Contact: Hui Chen, Xiaoxin Zou
  • About author:First author contact:Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21922507);National Natural Science Foundation of China(21779046);National Natural Science Foundation of China(21621001);Jilin Province Science and Technology Development Plan(YDZJ202101ZYTS126);Jilin Province Science and Technology Development Plan(20210101403JC);Science and Technology Research Program of Education Department of Jilin Province(JJKH20220998KJ);111 Project(B17020)

摘要:

电催化在许多清洁能源转换技术中起着核心作用, 能够与光伏、风电和水电等可再生能源发电系统耦合, 解决全球能源和气候危机. 一些重要的电化学转化过程, 包含析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、氮还原反应(NRR)和二氧化碳还原(CO2RR)等, 引起了广泛的研究兴趣. 实现这些电催化技术大规模应用的核心在于开发先进的电催化材料. 传统电催化剂的研发依赖于“试错法”实验合成, 这一过程耗时漫长、成本较高. 近20年来, 基于理论指导的新材料开发成为更先进的电催化剂设计思路, 这主要受益于: (1)重要的基本理论、活性描述符与催化剂机制的确立; (2)计算化学在电化学领域的成熟. 这些进展揭示了电催化剂的构效规律, 加速了电催化剂的研发过程.

本文梳理了电催化剂设计理论发展的关键历程. 首先, 萨巴捷原则指出理想催化剂的吸附应该是“中庸”的: 过弱的吸附无法使反应发生, 过强的吸附将导致催化剂表面被覆盖而无法进一步反应. 火山型曲线准确描绘了这一现象, 并为此提供了可定量的数学表达, 但仍缺少量化吸附的物理量. 随着计算机技术与密度泛函理论的不断发展, 人们能够获得吸附能、活化能等微观物理量. 同时, Brønsted-Evans-Polanyi (BEP)关系的发现为火山型曲线提供了基础, 使吸附能与反应活性直接关联. 通过BEP关系与标度关系, 一个或多个关键中间体的活化能可以作为复杂反应的描述符, 使催化剂的设计大大简化. 除了吸附能, 基于其他理论的描述符的发现引领了更广泛的设计路线. 我们详述了d带理论及其在电催化中的应用, 重点介绍了通过应变效应与配体效应等策略调控d带中心, 从而达到优化催化剂性能的目的. 还总结了其他电子结构描述符, 包括上带边、p带中心、eg轨道填充等, 也对几何结构描述符, 如配位数等进行了讨论.

针对五种重要的电催化反应(HER, OER, ORR, CO2RR与NRR), 总结了主流的催化反应机理、主要挑战以及理论研究在应对这些挑战方面的重要作用, 尤其强调了不同类型的活性描述符在预测催化性能方面的贡献. 同时结合近些年来出现的高通量计算与机器学习等研究理念, 汇总了自动化和加速搜索新型电催化材料方面的崭新成果.

最后, 分析了该领域未来面临的主要挑战与机遇, 从以下四个角度提出了建议: (1)发展更具预测能力的活性描述符; (2)打破线性关系, 超越火山曲线对催化活性的限制; (3)加深对催化剂稳定性问题的理论认识; (4)建立跨越理论与实验“鸿沟”的桥梁.

关键词: 电催化, d带理论, 线性关系, 萨巴捷原则, 描述符

Abstract:

The exploitation of competent electrocatalysts is a key issue of the broad application of many promising electrochemical processes, including the hydrogen evolution reaction (HER), the oxygen evolution reaction (OER), the oxygen reduction reaction (ORR), the CO2 reduction reaction (CO2RR) and the nitrogen reduction reaction (NRR). The traditional searches for good electrocatalysts rely on the trial-and-error approaches, which are typically tedious and inefficient. In the past decades, some fundamental principles, activity descriptors and catalytic mechanisms have been established to accelerate the discovery of advanced electrocatalysts. Hence, it is time to summarize these theory-related research advances that unravel the structure-performance relationships and enables predictive ability in electrocatalysis studies. In this review, we summarize some basic aspects of catalytic theories that are commonly used in the design of electrocatalysts (e.g., Sabatier principle, d-band theory, adsorption-energy scaling relation, activity descriptors) and their relevance. Then, we briefly introduced the fundamental mechanisms and central challenges of HER, OER, ORR, CO2RR and NRR electrocatalysts, and highlight the theory-based efforts used to address the challenges facing these electrocatalysis processes. Finally, we propose the key challenges and opportunities of theory-driven electrocatalysis on their future.

Key words: Electrocatalysis, d-band theory, Scaling relation, Sabatier principle, Descriptor