這篇概念文章重點(diǎn)介紹了微環(huán)境對(duì)含氣體的電催化反應(yīng)影響的機(jī)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(yīng)，證明了它們的反應(yīng)性能對(duì)催化劑微環(huán)境潤(rùn)濕特性十分敏感。
電催化為利用可持續(xù)能源合成高價(jià)值化學(xué)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(dòng)對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的影響。例如，電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)可以將CO2轉(zhuǎn)化為CO、甲酸鹽以及多碳的碳?xì)浠衔锖秃趸衔?。氮?dú)膺€原反應(yīng)(NRR)可以實(shí)現(xiàn)作為農(nóng)業(yè)肥料的關(guān)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(yīng)(2e- ORR)可以使用O2電合成H2O2; 析氫反應(yīng)(HER)產(chǎn)生作為清潔能源的氫氣。在對(duì)這些反應(yīng)的研究中，催化劑微環(huán)境（距活性位點(diǎn)幾納米到幾微米的范圍）被發(fā)現(xiàn)在決定反應(yīng)性能方面發(fā)揮著重要作用。 目前重要的電催化反應(yīng)通常含有氣態(tài)反應(yīng)物或產(chǎn)物，因此高效的反應(yīng)過(guò)程需要在固體催化劑、液體電解質(zhì)和氣態(tài)反應(yīng)物或產(chǎn)物三相之間達(dá)到一定的平衡。催化位點(diǎn)附近氣相反應(yīng)物的存在可以加速反應(yīng)物的傳質(zhì)。對(duì)于產(chǎn)氣反應(yīng)，必須及時(shí)清除催化劑表面產(chǎn)生的氣泡，以便活性位點(diǎn)能夠恢復(fù)并進(jìn)一步參與反應(yīng)。因此，微環(huán)境的一個(gè)重要特性是潤(rùn)濕特性，親水表面（接觸角<90°）易被液體潤(rùn)濕；而疏水表面（接觸角>90°）不易被液體潤(rùn)濕，因此偏向于接觸氣體。潤(rùn)濕特性會(huì)影響催化位點(diǎn)周圍液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)的分布和擴(kuò)散，從而影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此，人們做了許多努力來(lái)設(shè)計(jì)具有優(yōu)化潤(rùn)濕特性的電極來(lái)改善含氣體的電催化反應(yīng)。例如制備具有納米結(jié)構(gòu)形態(tài)的電極，即具有可調(diào)潤(rùn)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(rùn)濕性碳載體的特性在催化劑微環(huán)境中占主導(dǎo)地位，但其重要性在很大程度上被忽視了。 本文討論了潤(rùn)濕特性對(duì)各種反應(yīng)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(guān)鍵作用。適度疏水的微環(huán)境可以加速氣態(tài)反應(yīng)物向活性位點(diǎn)的傳質(zhì)，并有利于產(chǎn)生的氣泡的快速脫離以恢復(fù)活性位點(diǎn)。然而，過(guò)于疏水的微環(huán)境會(huì)減少活性位點(diǎn)與液體電解質(zhì)的接觸，并限制可以參與反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)量和離子電導(dǎo)率，從而對(duì)催化性能產(chǎn)生負(fù)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(diǎn)與液體電解質(zhì)接觸，從而促進(jìn)的產(chǎn)氣反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)微環(huán)境的潤(rùn)濕特性可以進(jìn)一步優(yōu)化催化位點(diǎn)周圍的局部氣/液平衡。這些理解為理性設(shè)計(jì)用于可再生能源轉(zhuǎn)換的高效電催化劑和電解槽提供了啟發(fā)和指導(dǎo)。 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
