Die Elektrokatalyse spielt eine entscheidende Rolle in vielen sauberen Energieumwandlungstechnologien und kann mit erneuerbaren Energieerzeugungssystemen wie Photovoltaik, Windturbinen und Wasserkraft gekoppelt werden, um zukünftige globale Energieprobleme und Klimakrisen zu lösen.
Einige wichtige elektrochemische Umwandlungsprozesse, einschließlich der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), der Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) und der Kohlendioxidreduktionsreaktion (CO2RR), haben umfangreiches Forschungsinteresse auf sich gezogen.
Diese elektrochemischen Reaktionen sind in der Lage, reichlich vorhandene natürliche Ressourcen unter milden Bedingungen in wichtige Chemikalien (Wasserstoff, Ammoniak und organische Stoffe) umzuwandeln. Diese elektrochemischen Reaktionen sind jedoch kinetisch träge und erfordern Hochleistungselektrokatalysatoren, um die Reaktionseffizienz zu erhöhen und den zusätzlichen Energieverbrauch zu reduzieren.
Die derzeitigen Elektrokatalysatoren weisen Mängel in Aktivität, Stabilität und Selektivität auf und sind stark von Edelmetallen abhängig. Es besteht ein dringender Bedarf, neue Elektrokatalysatoren zu entwickeln.
Die Forschung und Entwicklung herkömmlicher Elektrokatalysatoren beruht auf Trial-and-Error-Ansätzen, was zeitaufwändig und kostspielig ist. In den letzten 20 Jahren hat sich die Entwicklung neuer Materialien auf der Grundlage theoretischer Anleitungen zu fortschrittlicheren Designideen für Elektrokatalysatoren entwickelt, die hauptsächlich von der Etablierung wichtiger grundlegender Theorien, Aktivitätsdeskriptoren und Katalysatormechanismen sowie der Reife der Computerchemie auf diesem Gebiet profitieren der Elektrochemie.
Diese Fortschritte offenbaren das Struktur-Aktivitäts-Gesetz des Elektrokatalysators und beschleunigen den Entwicklungsprozess des Elektrokatalysators.
Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Xiaoxin Zou und Prof. Hui Chen von der Universität Jilin, China, den Entwicklungsprozess der Elektrokatalysator-Leittheorie durchkämmt. Ausgehend vom frühen qualitativen Sabiter-Prinzip sind mit Hilfe der Computerchemie Vulkankurven, Brønsted-Evans-Polanyi-Beziehungen und Skalierungsbeziehungen zu wichtigen Theorien zur quantitativen Beschreibung der Katalysatoraktivität geworden.
Die Theorie des d-Band-Zentrums und das Regulierungsverfahren des d-Bands (Strain-Effekt und Liganden-Effekt) werden im Detail beschrieben. Für wichtige elektrokatalytische Reaktionen (HER，OER, ORR, NRR und CO2RR) wurden die Mainstream-Reaktionsmechanismen, theoretische Forschungsfortschritte und Deskriptoren zusammengefasst, indem die neuesten Hochdurchsatz-Screening- und maschinellen Lernmethoden kombiniert wurden.
Außerdem werden Herausforderungen und Perspektiven für die Entwicklung von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren auf der Grundlage einer Theorieführung diskutiert. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Chinesisches Journal für Katalyse.
Mehr Informationen:
Mingcheng Zhang et al, Theoriegeleitetes Elektrokatalysator-Engineering: Von der Mechanismusanalyse zum Strukturdesign, Chinesisches Journal für Katalyse (2022). DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64103-2