L’électrocatalyse joue un rôle crucial dans de nombreuses technologies de conversion d’énergie propre et est capable de se coupler à des systèmes de production d’énergie renouvelable tels que le photovoltaïque, les éoliennes et l’hydroélectricité pour résoudre les futurs problèmes énergétiques mondiaux et les crises climatiques.
Certains processus de conversion électrochimique importants, notamment la réaction de dégagement d’hydrogène (HER), la réaction de dégagement d’oxygène (OER), la réaction de réduction de l’oxygène (ORR), la réaction de réduction de l’azote (NRR) et la réaction de réduction du dioxyde de carbone (CO2RR), ont suscité un intérêt de recherche considérable.
Ces réactions électrochimiques sont capables de convertir des ressources naturelles abondantes en produits chimiques importants (hydrogène, ammoniac et matières organiques) dans des conditions douces. Cependant, ces réactions électrochimiques sont cinétiquement lentes et nécessitent des électrocatalyseurs de haute performance pour augmenter l’efficacité de la réaction et réduire la consommation d’énergie supplémentaire.
Les électrocatalyseurs actuels présentent des défauts d’activité, de stabilité et de sélectivité, et sont fortement dépendants des métaux nobles. Il est urgent de développer de nouveaux électrocatalyseurs.
La recherche et le développement d’électrocatalyseurs traditionnels reposent sur des approches par essais et erreurs, ce qui prend du temps et coûte cher. Au cours des 20 dernières années, le développement de nouveaux matériaux basés sur des orientations théoriques est devenu des idées de conception plus avancées pour les électrocatalyseurs, qui bénéficient principalement de l’établissement d’importantes théories de base, de descripteurs d’activité et de mécanismes de catalyseur, et de la maturité de la chimie computationnelle dans le domaine. de l’électrochimie.
Ces avancées révèlent la loi d’activité structurelle de l’électrocatalyseur et accélèrent le processus de développement de l’électrocatalyseur.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Xiaoxin Zou et le professeur Hui Chen de l’Université de Jilin, en Chine, a passé au peigne fin le processus de développement de la théorie de guidage des électrocatalyseurs. À partir du premier principe qualitatif de Sabiter, avec l’aide de la chimie computationnelle, les courbes volcaniques, les relations de Brønsted-Evans-Polanyi et les relations d’échelle sont devenues des théories importantes pour la description quantitative de l’activité du catalyseur.
La théorie du centre de la bande d et la méthode de régulation de la bande d (effet de contrainte et effet ligand) sont décrites en détail. Pour les réactions électrocatalytiques importantes (HER, OER, ORR, NRR et CO2RR), les principaux mécanismes de réaction, les progrès de la recherche théorique et les descripteurs ont été résumés en combinant les dernières méthodes de criblage à haut débit et d’apprentissage automatique.
Les défis et les perspectives sur le développement d’électrocatalyseurs hautement performants basés sur un guidage théorique sont également discutés. Les résultats ont été publiés dans Journal chinois de catalyse.
Plus d’information:
Mingcheng Zhang et al, Ingénierie des électrocatalyseurs guidée par la théorie : de l’analyse des mécanismes à la conception structurelle, Journal chinois de catalyse (2022). DOI : 10.1016/S1872-2067(22)64103-2