（原）材料视角 | 电催化剂材料
初原载于 工大材料汇 2020-05-08
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电催化剂
电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用。而电催化作用覆盖着电极反应和催化作用两个方面，因此电催化剂必需同时具有这两种功能：①能导电和比较自由地传递电子；②能对底物进行有效的催化活化作用。电催化剂能够用于燃料电池的氧还原反应（ORR），制备绿色氢能的析氢反应（HER）以及金属-空气电池的析氧反应（OER）等多种与能源相关的重要过程。在能源日益紧张的今天，如何提高电催化剂的稳定性、选择性、降低其应用成本是一个重要问题。
下面我们来介绍几种新型电催化剂材料。
贵金属气凝胶（NMAs）
气凝胶作为未来十大潜力新材料之一,具有低密度,高孔隙率和大内表面积,并通过自组装的形式将纳米材料的特性扩展到宏观尺度,因此具有比普通固态材料优越的热学、电学、磁学、光学、声学和化学等方面性能。而贵金属气凝胶不仅拥有气凝胶高比表面积和自支撑结构的特点，还融合了贵金属优异的导电性和催化活性，这为获得高活性、长寿命的电催化剂提供了条件。因为之前合成的NMAs种类有限且缺乏NMA‐基电催化剂在大pH值范围内性能的研究，德累斯顿工业大学Alexander Eychmüller教授和Wei Jin等人合作开发了一种盐凝胶化方法，通过在离子效应的基础上调节金属纳米粒子(NPs)和盐离子之间的相互作用，从而提供了一种高效、可靠的策略来制造具有可控结构的NMAs。
首先，他们通过采用强盐析剂（即NH4F，即作为引发凝胶化的引发剂），制备得到的气凝胶的组成可以扩展到各种双金属和三金属体系。通过对化学成分的精细调控，获得了高性能的ORR催化剂，而且在电催化和电化学水分解中也表现出优异的催化性能。
（a）NH4F诱导的Au-Rh纳米颗粒溶液凝胶化以及对应气凝胶的图片
（b-g）Au-Pt气凝胶(b–d)和Au-Rh气凝胶(e–g)的SEM图像、高分辨TEM图像和EDX元素mapping图，插图(c, f)表示TEM图像的快速傅里叶变换分析所得的电子衍射图
来源于材料人
其次，贵金属气凝胶具有独特的电催化潜力，这归因于气凝胶的整体和多孔结构的协同作用，以及贵金属的高电导率和催化活性。Au–Pt和Au–Rh气凝胶催化剂在HER和ORR电催化方面均表现出卓越的pH通用性（pH=0–14），超过了工业Pt/C催化剂和许多其他基于纳米颗粒（NP）的催化剂。
（a）ORR极化曲线
（b）Au-Pt气凝胶、Au-Pt纳米颗粒和商用Pt/C催化剂的起始电位和半波电位
（c）Tafel曲线
（d）H2O2生成和转移电子数
（e, f）ADT之前和之后的极化曲线
来源于材料人
（所有实验在0.1 M KOH 或0.1 M HClO4水溶液中进行）
PdMo双金属烯（PdMo bimetallene）
PdMo双金属烯(一种高度弯曲亚纳米级厚度金属纳米片形式的钯钼合金)是碱性电解质中ORR和OER的高效、稳定的电催化剂，在锌-空气和锂-空气电池中展现出良好的电池性能。PdMo双金属烯的薄层结构可实现较大的电化学活性表面积(138.7平方米/克钯)以及高的原子利用率；在碱性电解质中催化ORR时，相对于可逆氢电极，PdMo双金属烯能在0.9V电位达到16.37 A/mgPd的电流密度。该质量比活性分别是工业Pt/C和Pd/C催化剂的78倍和327倍，在30000次循环后几乎没有衰减。
PdMo双金属烯的形貌、结构和组成表征
PdMo bimetallene与Pd metallene/C、商业化催化剂之
间的电催化性能比较
蜘蛛网状钴基电催化剂
首先，开发高效的析氧反应（OER）电催化剂是实现高效水分解和储能的关键，在可再生能源技术中具有重要的作用。动力学OER过程中在多步反应的每一步都有单电子转移。OER在每一步都需要能量积累来克服高动力学势垒，这使得OER的动力学非常缓慢，产生很大过电位。因此，一种理想电催化剂材料具有低过电位、快电子转移速率是降低OER势垒的关键。
近日，福州大学赖跃坤教授团队和西北大学胡军副教授、苏州大学以及澳门大学团队等合作研究出了一种通过静电纺技术和简单煅烧的方法，制备了具有独特“蜘蛛网上具有微颗粒 (MSW)”复合结构的高性能电催化剂，同步提高活性位点和电极导电性。通过静电纺步骤中对钴基前驱体所加质量比的控制，可以调控制备出不同结构形貌的电催化剂，同时也可以实现对OER电催化性能的调控。
具有MSW结构的钴基电催化剂的OER性能和稳定性远远优于商用RuO2和同系列钴基催化剂。在1.0 M KOH溶液中，达到电流密度为10 mA·cm-2所需的过电位仅为260 mV；而且在该过电位下探究催化剂的循环稳定性时，循环 8 h后电流密度仍维持在原始电流密度的95.3%，具有良好的循环稳定性。
而蜘蛛网状钴基电催化剂优异的电催化性能主要归因于：1) 这种独特的MSW结构具有巨大的表面积以产生丰富的电化学活性位点可以增加电极和电解液的接触面积，从而暴露更多的活性分子金属位点和加快电荷传递率。2）这种有序MSW超结构中的高效率电子转移，得益于高电子导电碳纸和三维细长导电碳纤维网。
电催化剂在能源转换中的作用不可忽视，而有关于电催化剂材料的研究也一直在进行中，材料人们多多努力哦！
THE END
本期问题：
1.本文介绍了哪几种新型电催化剂材料？
答案：贵金属气凝胶 PdMo双金属烯 蜘蛛网状钴基电催化剂
2.你还知道哪些电催化剂材料？
精选留言：单金属Pt催化剂
——Вперед, товарищи
参考资料：材料人
纳米人
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本文图文作者：田坤卉
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