這篇概念文章重點介紹了微環(huán)境對含氣體的電催化反應影響的機制，包括二氧化碳還原(CO2RR)、兩電子氧還原(2e- ORR)和肼氧化(Hydrazine Oxidation)反應，證明了它們的反應性能對催化劑微環(huán)境潤濕特性十分敏感。
電催化為利用可持續(xù)能源合成高價值化學品和燃料提供了一條光明的路線。它可以減少化石燃料消耗和碳排放，從而減輕人類活動對地球生態(tài)系統(tǒng)的影響。例如，電化學二氧化碳還原反應(CO2RR)可以將CO2轉化為CO、甲酸鹽以及多碳的碳氫化合物和含氧化合物。氮氣還原反應(NRR)可以實現(xiàn)作為農(nóng)業(yè)肥料的關鍵成分的氨的電合成，它可以為能源密集型Haber-Bosch工藝提供可持續(xù)的替代方案。兩電子氧還原反應(2e- ORR)可以使用O2電合成H2O2; 析氫反應(HER)產(chǎn)生作為清潔能源的氫氣。在對這些反應的研究中，催化劑微環(huán)境（距活性位點幾納米到幾微米的范圍）被發(fā)現(xiàn)在決定反應性能方面發(fā)揮著重要作用。 目前重要的電催化反應通常含有氣態(tài)反應物或產(chǎn)物，因此高效的反應過程需要在固體催化劑、液體電解質(zhì)和氣態(tài)反應物或產(chǎn)物三相之間達到一定的平衡。催化位點附近氣相反應物的存在可以加速反應物的傳質(zhì)。對于產(chǎn)氣反應，必須及時清除催化劑表面產(chǎn)生的氣泡，以便活性位點能夠恢復并進一步參與反應。因此，微環(huán)境的一個重要特性是潤濕特性，親水表面（接觸角<90°）易被液體潤濕；而疏水表面（接觸角>90°）不易被液體潤濕，因此偏向于接觸氣體。潤濕特性會影響催化位點周圍液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)的分布和擴散，從而影響反應動力學。因此，人們做了許多努力來設計具有優(yōu)化潤濕特性的電極來改善含氣體的電催化反應。例如制備具有納米結構形態(tài)的電極，即具有可調(diào)潤濕特性的納米線或納米管。然而最廣泛使用的電催化劑配方是將金屬納米粒子分散在碳黑上以形成多孔電極，其中潤濕性碳載體的特性在催化劑微環(huán)境中占主導地位，但其重要性在很大程度上被忽視了。 本文討論了潤濕特性對各種反應的普遍適用的影響，其中氣體和液體物質(zhì)的傳質(zhì)在確定電催化性能方面起著關鍵作用。適度疏水的微環(huán)境可以加速氣態(tài)反應物向活性位點的傳質(zhì)，并有利于產(chǎn)生的氣泡的快速脫離以恢復活性位點。然而，過于疏水的微環(huán)境會減少活性位點與液體電解質(zhì)的接觸，并限制可以參與反應的質(zhì)子數(shù)量和離子電導率，從而對催化性能產(chǎn)生負面的影響。與之相反的是，親水的微環(huán)境有利于催化劑活性位點與液體電解質(zhì)接觸，從而促進的產(chǎn)氣反應的進行。通過調(diào)節(jié)微環(huán)境的潤濕特性可以進一步優(yōu)化催化位點周圍的局部氣/液平衡。這些理解為理性設計用于可再生能源轉換的高效電催化劑和電解槽提供了啟發(fā)和指導。 論文信息 Hydrophilic or Hydrophobic? Optimizing the Catalyst Microenvironment for Gas-Involving Electrocatalysis Kaige Shi, Zhuanghe Ren, Zhen Meng, Xiaofeng Feng ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202301308
