电催化有哪些研究方向
电催化的研究方向有电解水中的析氢、电催化二氧化碳还原和氮还原反应、其他电催化反应。
电催化研究的方向大致可以分为三大类:电解水中的析氢(HER)、析氧反应(OER),燃料电池和金属空气电池中重要的半反应氧还原反应(ORR);电催化二氧化碳还原(CO2RR)和氮还原反应(NRR);其他电催化反应。
电解水时,质子或水合氢离子在阴极得到电子,发生还原反应,生成氢气析出,该过程简称为氢还原反应。电催化二氧化碳还原从机理角度看,电化学生成金属氢化物中间体物种的过程中,首先金属中心还原,随后进行质子-电子逐步转移、或者电子-质子逐步转移。
氮还原反应是氮气和氢气反应生成氨气,属于氧化还原反应。氮气被还原,氢气被氧化。硝态氮的还原能力就是转化成铵态氮的过程。
电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用。电极催化剂的范围仅限于金属和半导体等的电性材料。电催化研究较多的有骨架镍、硼化镍、碳化钨、钠钨青铜、尖晶石型与钨态矿型的半导体氧化物,以及各种金属化物及酞菁一类的催化剂。
电催化的作用:
选用合适的电极材料,以加速电极反应的作用。所选用的电极材料在通电过程中具有催化剂的作用,从而改变电极反应速率或反应方向,而其本身并不发生质的变化。
电极上施加的过电位也能影响反应速率,因此衡量电催化作用的大小,必需用平衡电位Ee时的电极反应速率,常称为交换电流密度i0。
电催化作用覆盖着电极反应和催化作用两个方面,因此电催化剂必需同时具有这两种功能:①能导电和比较自由地传递电子;②能对底物进行有效的催化活化作用。能导电的材料并不都具有对底物的活化作用,反之亦然。
将活性组分以某种共价键或化学吸附的形式结合在能导电的基底电极上,可达到既能传递电子,又能活化底物的双重目的。除了考虑电极的宏观传质因素外,还有一个修饰分子和基底电极的相互作用问题,这种相互作用有待进一步研究。