2022让我们聊聊电催化

1. 电催化有什么用？

能源是未来各国竞争的核心资源。谁能率先拥有可持续清洁能源技术，谁将在国际竞争中占据主导地位。电催化是该技术发展的基础科学。我们可以将能源的使用分为三个部分：（1）能源产生（燃料和能源）（2）能源运输（3）能源消耗。这三个方面可以用下图来表示：

能量产生：目前常用于燃烧化石燃料（煤炭、石油、天然气）。然而，在未来，人们希望通过电催化/光催化技术恢复阳光和空气，形成燃料（fuel）：。

能量运输：如果我们能大量生产这些燃料，它们的运输也很重要，但因为h2液化技术已经成熟，大部分有机物都是液体，暂时不会对运输问题产生太大影响。

能耗：未来理想的情况是使用高功率、高效的燃料电池（fuel cell），通过电催化反应将产生的燃料变成。当然，这也可以继续成为我们能量产生的反应物。

这样，燃料就可以通过二次循环回收。这也是未来清洁能源技术的一大愿景。

（此图来自《fundamental concepts in heterogeneous catalysis》）

目前由于tesla在汽车的领导下，电动汽车领域正在蓬勃发展，国家也大力投入大量资金支持。如何开发高能量密度、高功率密度、高稳定性、高安全性的燃料电池组。这是非常重要的。

电催化领域除了为能源产业提供理论支持外，还为电化学中的非线性效应等许多其他领域的研究提供了实验平台（nonlinear phenomena in electrochemistry）。

markovic在2016年nano energy还有一个很棒的示意图（nano energy,2016,29,1-3）:

2. 电催化与其他催化方向的异同

stanford大学的tho ** s jaramillo在2012年gcep research symposium上给了题为《energy tutorial: electrocatalysis 101报告中有一幅非常有趣的图片：

(图片来自讲座ppt）

催化分为五部分：

(1)生物催化（biocatalysts）。其研究重点是酶催化。

(2)均相催化（homogeneous catalysts）。其研究重点是过渡金属配位化合物的催化活性。

（3）电催化（electrocatalysis）。其研究重点是开发针对电化学反应的高效催化剂。

(4)异相催化（heterogeneous catalysis）。其研究重点是在不加电场的情况下开发高效催化剂。

（5）超高真空表面催化（uhv su ** ce science）。研究重点是表面结构与催化活性的结构关系，以及异相催化理论体系的构建。

催化的定义，ppt中有一段：

3. 电催化的复杂性——why is it so interesting and important?

当然，我最感兴趣的是中间的电催化（electrocatalysis）。电催化可分为(1)电催化(电极/溶液界面)(2)光催化（photoelectrocatalysis）：

(图片来自讲座ppt）

在复杂性方面，它也应该是这五个分支中最复杂的。原因如下：

(1)固体(电极)/液体(电解质溶液)/气体(气体扩散电极)【固/液/气】三相界面通常发生电催化反应。

（2）改变电极上的电极电势，电极/溶液界面双电层的结构、反应物/产品的自由能、吸附离子的吸附能和一些特性的平衡覆盖会发生很大变化。butler-volmer我们知道这种影响是指数级的，所以轻微的电极电势变化会有很大的变化。

（3）目前，电催化剂中优质催化剂的粒径主要在纳米尺度。理论上，纳米尺度相对较大，给理论建模带来了一定的困难。在实验中，由于纳米相当于实验仪器的测量精度太小，许多仪器不能用于水溶液。制备纳米粒子时，添加的化学物质会吸附在纳米粒子表面，调节表面空间（活性位点）。因此，它在理论/实验中都面临着巨大的挑战。

(4)反应通常是多步和多质子-电子转移。可能的中间态及其相应的反应路径过多，给理论建模分析带来了巨大的困难。例如，为了恢复甲烷（），必须添加8个质子和8个电子：

一个可能的机制步骤是：

当然，这只是恢复的可能性。还有很多其他的可能性：

等等。。。

因此，恢复是一个非常复杂的反应。目前应该是电催化领域的前沿研究方向。目前，人们广泛关注如何为其制备良好的催化剂。

4. 我们到底要研究什么？

看george whitesides在一份报告中，他提到：it is very important to know what science should be done in a particular field. 也就是说，面对一个领域，你必须问自己：这个领域的关键问题是什么？然后我将简要介绍我对电催化领域的关键问题的看法。

上一张电极/溶液界面图：

（此图来自nature materials,2017,16,58)

如果我们看整个反应路径，那么从反应物a到产物b步骤如下：

（1）反应物a扩散到表面

（2）反应物a可选:直接失电子/得电子(外球形反应)或吸附在表面(内球形反应，溶剂层重构)

（3）表面电催化反应（一系列基元步骤、吸附物表面扩散和不清楚的表面重构）。每个基元步骤的活化能量和反应速率。最终生成b(可直接脱附或仍处于吸附状态)

（4）b离开表面，通过传质运输到体相中区

在这四个步骤中，第三步是整个电催化中最关键的。因此，为了更好地研究它，我们需要：

(1)原子层面的探测工具（stm、afm等待或更新设备)

（2）更好地描述电极/溶液界面（如何引入双层？表面水层的作用如何？纳米粒子上有机物的吸附会如何影响其催化活性？

（3）表面活性区域的概念。这个概念是原始活性位置的延伸。目前，催化剂不仅参与催化剂表面原子的反应，而且周围的溶剂和其他吸附剂也可能发挥反应作用。有时，如果它与过渡状态有很强的作用，它甚至可能发挥决定性作用。因此，如何理解这些效应及其耦合（协调）的作用是未来电催化基础理论研究的重要研究方向。当然，这需要理论与实验的良好合作，从两个方向共同研究，以便对电催化领域有更深入的理解。

(4)如何综合调查表面活性区的数量和活性？如果催化剂的活性和选择性得到提高，可选策略是什么？如何通过实验结合理论计算定量反应机制？(或重要指标？