电催化材料分类汇总

电催化研究内容多样，主要包括电解水中的析氢(HER)、析氧反应(OER)，燃料电池中重要的半反应氧还原反应(ORR)以及电催化二氧化碳还原反应。

2023-07-27 14:27:55云顶国际集团-云顶国际唯一官方网站387

电催化研究内容多样，主要包括电解水中的析氢(HER)、析氧反应(OER)，燃料电池中重要的半反应氧还原反应(ORR)以及电催化二氧化碳还原反应。无论应用的领域是哪种电催化反应，电催化研究的任务就是设计并制备出对特定反应具有高活性、高选择性和长寿命的电催化剂。经过多年发展，目前常用的电催化剂主要分为贵金属、过渡金属和非金属催化剂。

一、贵金属电催化剂

贵金属催化剂主要包括Pt、Ir、Pd、Ru和Rh等。Pt 单质表现出的HER性能，Pt的氢吸附中间体的自由能基本上接近理想数值零，因此催化活性高，工业电解水多以Pt/C为析氢催化剂，很多研究的HER催化剂也和Pt/C的性能进行对比。IrO2和RuO2是商业应用的OER催化剂，也是众多研究中比对的基准。

虽然贵金属催化剂有很多优点，但是在应用时也发现了一些问题，如价格昂贵，制备成本高。此外贵金属容易聚集而失去活性，且聚集的颗粒不能暴露活性位点，导致催化活性和稳定性降低。研究人员为了解决这些问题，目前主要通过减少贵金属催化剂的负载量以降低催化剂成本，同时引入其它基质，提高贵金属催化剂的分散性。

二、过渡金属

过渡金属催化剂包括过渡金属氢氧化物、氧化物、硫化物、磷化物以及合金。钼是一种用于NRR的过渡金属，一些基于钼的分子配合物已被开发用于电催化合成氨，如氧化钼、氮化钼、碳化钼和硫化钼都可用于NRR反应。MoS2的边缘是电催化反应的活性位点，可用于电催化NRR。此外，MXenes材料具有良好的机械性能和大的比表面积，其导电性和基面上丰富的活性位点在电催化发展方面发挥着重要作用。MXene材料已被证明可以用于电催化HER/OER/ORR反应。

三、非金属催化剂

非金属催化剂主要包括碳基催化剂以及一些硼基和磷基催化剂。通常，碳基催化剂具有多孔结构和较大的表面积，有利于暴露更多的活性位点，并为质子和电子的传递提供了丰富的通道。云顶国际集团-云顶国际唯一官方网站烯表面和边缘的各类含氧官能团以及一些缺陷，使其具有不同的电学性质和催化活性，研究人员利用各类化学改性及化学成键的方式把其他有益的成分修饰在GO的表面官能团上，制备出新型电催化剂。研究人员以石墨炔为基底，进行单个硼、氮原子掺杂后发现其可以将CO2还原为乙烯。少层黑磷纳米片由于具有较多活性位点和较弱的HER，使其对NRR具有较好的活性和选择性。

在以上3类电催化剂中，二维薄纳米片结构材料在催化领域的应用，高比表面积、大量暴露的活性位点、无堆叠的结构特点使其具有催化优势，以二维材料为基底的二维单原子催化剂也已经成为电催化的研究热点。