Chemistry Labs

Hoá học vật liệu

Chất xúc tác điện hoá (HER, OER, ORR)

Nghiên cứu cách bề mặt đẩy nhanh phản ứng thoát hydrogen, thoát oxygen và khử oxygen, cùng vai trò của mô tả tử hoạt tính, trung gian, độ bền và chuẩn so sánh định nghĩa hiệu năng xúc tác điện.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácLàm chuyển electron hiệu quả

HER cung cấp H₂; ORR tiêu thụ O₂ trong nhiều pin nhiên liệu; còn OER giải phóng O₂ khi điện phân nước. Cùng một thế điện cực có thể cho dòng rất khác nhau tuỳ theo bề mặt xúc tác, trung gian của nó và diện tích hoạt động có thể tiếp cận.

So sánh hấp phụ, bẻ gãy hoặc hình thành liên kết và khử hấp phụ các trung gian chính trên bề mặt HER, OER và ORR.

Phổ thôngBán phản ứng và quá thế

Định nghĩa: Quá thế

HER đi qua trung gian hydrogen hấp phụ với các đường như Volmer–Heyrovsky hoặc Volmer–Tafel. Trong ORR kiềm, oxygen có thể theo đường bốn electron hoặc hai electron một phần. OER đòi hỏi oxi hoá tuần tự nước hay hydroxide qua các loài oxygen bề mặt.

j=j0[exp⁡(αnFηRT)−exp⁡(−(1−α)nFηRT)]j=j_0\left[\exp\left(\frac{\alpha nF\eta}{RT}\right)-\exp\left(-\frac{(1-\alpha)nF\eta}{RT}\right)\right]

Ví dụ

Lời giải

η = 1,45 − 1,23 = 0,22 V, tức 220 mV.

Đại họcMô tả tử và động học

Xúc tác HER tốt liên kết H không quá yếu cũng không quá mạnh; ORR và OER phụ thuộc năng lượng hấp phụ của OH, O, OOH hoặc các loài liên quan. Các quan hệ tỷ lệ có thể liên kết những năng lượng này. Bước quyết định tốc độ phụ thuộc bề mặt, pH điện phân và điều kiện thí nghiệm, nên một hệ số Tafel riêng lẻ không đủ nhận diện cơ chế phổ quát.

Phản ứngTrung gian chínhĐánh đổi cốt lõi
HERH*Hấp phụ đối kháng khử hấp phụ hydrogen
OEROH, O, *OOHTỷ lệ năng lượng trung gian đối kháng khả năng oxi hoá
ORROOH, O, *OHCấp proton/electron đối kháng giải phóng sản phẩm

Nâng caoCơ chế vi mô và vị trí hoạt tính

Giản đồ năng lượng tự do tính toán kiểm tra trung gian ở thế hữu hạn, còn thực nghiệm khảo sát dòng đĩa quay, trở kháng điện hoá, hiệu ứng đồng vị và quang phổ operando. Xúc tác có thể tái cấu trúc dưới điện thế; bề mặt hoạt tính đo được có thể khác cấu trúc sau tổng hợp, và độ bền hay hoà tan có thể giới hạn tuổi thọ thực tế.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

  • Combining theory and experiment in electrocatalysis: insights into materials design · Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, 2017
  • Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode · J. K. Nørskov, J. Rossmeisl, A. Logadottir, L. Lindqvist, J. R. Kitchin, T. Bligaard, H. Jónsson, 2004
  • Electroreduction of dioxygen for fuel-cell applications: materials and challenges · A. A. Gewirth, M. S. Thorum, 2010