氢氧镍基电催化剂在电化学氧化反应中的应用前景:超越水氧化

氢氧镍基电催化剂在电化学氧化反应中的应用前景:超越水氧化

概括

过渡金属氢氧化物因其在储能和转换技术中的应用而引起了广泛的研究兴趣。特别是镍氢氧化物（Ni(OH)2）在材料科学与工程中的应用越来越多。在过去十年中，Ni(OH)2 基材料作为水氧化的高效电催化剂蓬勃发展，水氧化是水电解、燃料电池、二氧化碳还原和金属空气电池等可持续技术的关键催化反应。电化学氧化取代阳极的水氧化是实现节能生产的有效且有前途的策略。本文首先介绍了与常规水氧化有关的 Ni(OH)2 的物理化学性质。然后，对 Ni(OH)2 基材料的电化学性质进行了研究。对电化学反应的最新进展进行了对称分类和综述。重点是建立结构-活性关系并揭示反应机理。还强调了新型电催化剂的新兴材料设计策略。最后，提出了现有的挑战和未来的研究方向。

介绍

许多电化学技术在学术研究和工业应用方面都引起了极大的兴趣和大量的研究投入。这包括水电解用于绿色氢气生产、CO2/CO还原用于合成化学品和燃料反应、双电子氧还原反应产生过氧化氢和氮还原反应产生氨等过程。这些半电池反应很重要，因为它们是生产目标产品的基本过程。值得注意的是，这些阴极反应通常与阳极氧释放反应耦合。OER结合过氧化氢反应（OER）来提供质子并维持电荷平衡。这种方法受到青睐，因为OER仅依赖水作为其来源，使其成为大规模电解的更实用的选择。这些设备的效率通常受到缓慢的限制。OER受到动力学的限制，这需要很大的过电位来驱动实际设置。因此，巨大的研究注意力集中在探索低成本材料、长期耐用性以及满足工业应用的要求上，这些要求非常可取，但也存在挑战。 为了应对这一挑战，最近人们强调采用具有低过电位的小分子电氧化作为阳极OER的潜在替代方案。过渡金属基电催化剂表现出高活性，主要是在高价态。此外，低价态的催化剂需要经历氧化过程才能达到这些高氧化态，这通常需要超过1.35 V的高电压才能活化。虽然小分子氧化通常表现出较低的平衡电极电位，但它们的驱动力仍然受到活化的影响。氢氧化镍（Ni(OH)2）具有广泛的特性，使其成为一种有前途的电化学反应催化剂。它的晶体结构、可调相和形态提供了Ni(OH)2的活性位点和表面化学，在反应动力学中起着至关重要的作用。其可调的氧化还原化学性质允许对其催化活性进行微调，同时其稳定性和对碱性电解质的兼容性使其适用于各种应用。 此外，Ni(OH)2 可以与其他材料结合形成混合催化剂，利用协同效应提高性能。Ni(OH)2 的丰富性、成本效益和环境友好性使其成为大规模能源转换和存储应用的引人注目的选择。持续研究和开发基于 Ni(OH)2 的 OER 催化剂有望推动清洁能源技术的发展，提高能源转换效率，并有助于向更可持续的能源转型过渡。Ni(OH)2 的独特性质使其成为高效聚合物和环保能源生产和存储系统的关键组成部分。

综述了近年来Ni(OH)2基复合电解材料的研究进展，首次提出了Ni(OH)2与常规OER相关的独特物理化学性质，讨论了Ni(OH)2基电催化剂在混合水中的应用，总结了电解过程中促进的典型氧化反应，特别提出了提高电催化剂电催化性能的有效设计策略。最后，简要讨论了电催化剂在设计、反应器构建和大规模应用方面的挑战与前景。

与传统 OER 相关的 Ni(OH)2 的物理化学性质

Ni(OH)2 是一种成熟且用途广泛的材料，作为 OER 的电催化剂而受到广泛关注。这一基本电化学过程涉及在金属空气电池中将水转化为氧气以产生氢气和储存能量，以及在燃料电池中运行。高效的 OER 催化剂对于这些应用非常重要，而 Ni(OH)2 因其独特的性能而成为一种有希望的候选材料。在这里，我们总结了作为 OER 催化剂，其关键特性以及它们如何有助于其在这一重要反应中的有效性。

有前景的电化学氧化反应：超越水氧化

近年来，以热力学更有利的电化学氧化取代OER已成为一种有效的节能策略。此外，有机氧化反应可以生成增值产品，用作制药、生物燃料和精细化学品等不同领域的中间体。

尿素氧化反应

镍基合金、氧化物、氢氧化物、氮化物和硫化物已显示出作为UOR候选物的巨大潜力。Ni(OH)2经历初始单电子氧化跃迁形成-NiOOH，这是真正的UOR过程。然而，-NiOOH的活性位点对反应中间体表现出很强的亲和力，这可能会阻碍催化过程。此外，-NiOOH容易暴露的低指数表面提供了有限的活性位点，这进一步阻碍了Lin等人证明OER和UOR之间的竞争可以归因于缺乏足够的动态Ni3+表面浓度，这是这两个过程的活性位点（图1a，b）。强调了最大化动态Ni3+浓度和操纵这两个反应之间的竞争的重要性（图1c）。因此，设计镍基UOR催化剂的主要目标是：1）改善-NiOOH的活性位点；2）促进-NiOOH表面中间物种的快速交换。秦等人。 报道称，在 Ni(OH)2 中引入氧空位和金属掺杂可以将 UOR 的速率决定步骤从 *COOH 的去质子化改变为 N─N 键的断裂。Ovac-V-NiOOH 催化剂表现出较低的活化能垒（从 3.48 eV 到 2.35 eV，图 1d）。令人印象深刻的是，UOR 活性在 100 mA cm−2. V 时达到 1.47，同时伴有显著较低的 Tafel 斜率 29.12 mV dec−1（图 1e、f）。

Ni(OH)2 基电催化剂的设计策略

杂原子掺杂在母体材料晶体结构中掺杂杂原子是调整电子结构、提高电化学性能的常用活化策略。由于贵金属本身具有良好的电子性能，在Ni(OH)2中引入低浓度的贵金属可以有效改变其电子结构。此外，贵金属可以作为活性位点，协同改善电化学反应的性质和质量，例如Wang等人通过水热法制备了铑掺杂的Ni(OH)2（图4a）。Rh的引入抑制了-NiOOH到-NiOOH的相变。此外，Rh掺杂引起的缺陷浓度增加和电子结构变化增强了MOR的催化活性（图4a）。过渡金属掺杂由于成本低廉、储量丰富而被广泛应用，具有重要的研究意义和实用价值。重要的是，与单一过渡金属相比，基于多种过渡金属的氢氧化物表现出明显增强的催化活性和耐久性。 这个研究方向为催化领域提供了一个新的方向，一条有希望的途径，为提高催化剂性能和降低成本提供了新的可能性。

结论与展望

总之，探索Ni(OH)2及其衍生物作为水氧化和相关电化学氧化反应的电催化剂将导致绿色氢的重大发展。其在常规水氧化反应中的行为提供了坚实的基础。对其电催化活性的探索不仅拓宽了我们对Ni(OH)2的理解，而且还开辟了新的应用。电催化剂的小分子氧化在高效制氢方面取得了长足的进步，但在实现工业应用之前还需要付出更多的努力。探索用于电化学氧化反应的替代小分子是一个重要的研究领域。评估不同分子作为阳极水潜在替代品的可行性可以扩大应用范围并提高整体能源效率。这种方法与对可持续性的日益重视以及开发更绿色、更资源高效的技术相一致。未来的前景还需要更深入地探索基于Ni(OH)2的电催化剂对环境的影响。评估这些材料的生命周期和生态足迹是必要的，以确保储能和转换技术的进步对总体可持续发展目标做出积极贡献。 应对这些挑战需要采取全面的方法。在探索新的材料设计策略时，研究人员应考虑利用纳米技术、计算建模和跨学科合作的协同方法。结合原位/表征方法和先进光谱等最先进的技术，可以实时洞察电化学反应中的 Ni(OH)2，从而促进催化剂优化。建立结构-活性关系可以进一步指导材料的设计，以针对特定应用定制性能。稳定性、可扩展性和成本效益是实际实施的关键。基于 Ni(OH)2 的电催化剂的基本考虑因素。研究人员应开发可扩展的合成方法并解决与长期稳定性相关的问题，以促进从实验室研究到大规模应用的过渡，例如设计适用于工业应用电池的催化剂。