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导语
中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队在Cell Press细胞出版社期刊Chem上发表了题为“Design Principle of Electrocatalysts for Electrooxidation of Organics”的综述论文(DOI: 10.1016/j.chempr.2022.07.010)。绥芬河广场激光音乐喷泉厂家该综述系统总结了有机物电氧化反应及其催化剂的最新项城广场激光音乐喷泉厂家 进展,提出了有机物电氧化反应催化剂的设计原则,进而对基于有机山东广场激光音乐喷泉厂家物电氧化反应的多功能耦合系统进行了未来展望。
前沿科研成果
有机物电氧化催化剂设计原则
概述
能源短缺和环境污染是当今世界面临的主要问题。电能可以与风能、太阳能、潮汐能等可再生能源耦合,从而能够大幅减少碳排放。基于电能-化学能转化,通过有机物电氧化生产高附加值化学品,符合“双碳”经济发展目标。同时,大部分有机物电氧化反应具有低于析氧反应(OER,1.23 V vs. RHE)的理论电位,耦合有机物电氧化反应与电还原反应(HER, CO 2 RR,NRR等),可以以更低的能耗,在阴阳极同时获得高附加值的产物,具有显著的经济效益。然而,多电子有机物电氧化反应通常具有较大的反应能垒,迫切需要开发高效、长寿命的电催化剂。本文综述了有机物电氧化催化剂的设计原理,以及低能耗、多功能耦合系统。
图1. 有机物电氧化反应催化剂设计原则和耦合系统应用(图片来源:Chem)
有机物电氧化反应催化剂设计原则
电催化剂的设计原则主要包括以下几个方面:i)提高活性位点的本征催化活性。通过构筑异质结结构、杂原子掺杂、缺陷位调控、合金化等方式调节催化剂活性位点的d带中心和电子结构,从而优化电催化剂与反应物、中间体、产物之间的吸/脱附能,加速反应的热力学过程。ii)增加催化剂的活性位点数量及种类。三维结构可以有效地暴露更多的活性位点。同时,构筑多种类活性位点协同作用可以有效地加速反应动力学,如高熵材料的应用。iii)通过原位表征观测催化剂在反应过程中的动态变化,确定催化剂在反应中的活性相,降低活性相的形成能垒,亦可以提高电催化剂的催化活性。
图2. 有机物电氧化催化剂设计原则(图片来源:Chem)
总结与展望
1. 虽然有机物电氧化催化剂的设计已经取得重大的突破,来宾广场激光音乐喷泉厂家但是大多数报道的电催化剂仍然难以满足实际应用需求,可以参广西广场激光音乐喷泉厂家 考以下的建议进一步提高催化剂的性能:i)理论模拟。通过高通量计算和机卫辉广场激光音乐喷泉厂家器学习法,高效快速地筛选出高活性电催化剂,为催化剂的设计和合成提供方向。ii)催化机制研究。利用原位分析技术加深在动态电化学反应条件下对催化剂构效关系与过程机制的深入理解,揭示催化剂动态变化规律及其与反应物、中间体、产物之间的作用规律,进一步指导催化剂的理性设计。iii)发展大电流密度、长寿命的电氧化催化剂。研究电催化剂在大电流密度下的传质机制、长循环中的失效机理,提高催化剂的实际应用价值。
2. 目前的研究多基于单一的平台分子。应发展基于原料预处理、串联反应、产物分离为一体的生产体系。
3. 实现有机物电氧化生产高附加值产物的量产,需要多学科合作。针对不同的电氧化反应的特点,设计相应的电解设备,保证反应装置耐腐蚀,并保持快速的质荷传输。
图3. 有机物电氧化催化剂发展示意图(图片来源:Chem)
吴忠帅研究员简介
中国科学院大连化学物理研究所首席研究员、催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)组长、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、2018-2021年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任。主要从事二维材料化学与高效微纳电化学能源的应用基础研究,包括柔性化/微型化储能器件、超级电容器、电池和能源催化。已发表学术论文220余篇,所有文章被SCI引用30000余次,36篇论文入选ESI高被引论文。获国家自然科学奖二等奖、辽宁省自然科学奖一等奖、第十三届辽宁青年科技奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学优秀导师奖等奖项或荣誉。担任Applied Surface Science 副主编,J. Energy Chem.执行编委,Editorial Group Member 永安广场激光音乐喷泉厂家for Natl Sci. Rev.、Energy 青岛广场激光音乐喷泉厂家 Storage Mater.、Nanomaterials、Journal 呼伦贝尔广场激光音乐喷泉厂家of Physics: Energy、Mater. Res. Express、Physics 编委,Chin. Chem. Lett.、eScience、物理化学学报青年编委、中国工程院院刊 Engineering 清洁能源通讯专家。担任 Adv. Mater.、J. Energy Chem.、Energy Storage Mater.、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、2D Materials、Chin. Chem.Lett.、新型炭材料杂志客座编辑。
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