Die Wasserstoffentwicklungsreaktion in alkalischer Lösung: Von der Theorie und Einkristallmodellen zu praktischen Elektrokatalysatoren

Abstract

Die Wasserstoffentwicklungsreaktion (hydrogen evolution reaction, HER) ist ein grundlegender Vorgang in der Elektrokatalyse und spielt eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung zur Entwicklung von wasserstoffbasierten Energiequellen. Die recht langsame Geschwindigkeit der HER unter alkalischen Bedingungen hemmte jedoch die Fortschritte bei Wasserspaltungsverfahren zur Produktion von hochreinem Wasserstoff. Anders als bei der gut dokumentierten sauren HER sind die mechanistischen Aspekte der alkalischen HER noch zu klären. Wir legen eine kritische Bewertung der alkalischen HER‐Elektrokatalyse vor, unter besonderer Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen der grundlegenden Oberflächenelektrochemie an Einkristallmodellen und dem abgeleiteten molekularen Designprinzip für reale Elektrokatalysatoren. Indem wir einige typische Beispiele für theoretische Berechnungen, Oberflächencharakterisierungen und elektrochemische Experimente vorstellen, möchten wir einige wichtige anhaltende Diskussionen thematisieren, um zu einem besseren Verständnis der alkalischen HER auf atomarer Ebene beizutragen.

Designing Atomic Active Centers for Hydrogen Evolution Electrocatalysts

“…[152] Thelow water dissociation energy and strong OH* adsorption could cause the blocking of the active site,h ence hindering the subsequent dissociation of water molecules and the adsorption of Hs pecies. [153] In addition, investigating the HER behavior under alkaline conditions is of great significance for designing catalytically active centers that function over aw ide pH range.S ince Ru greatly accelerates water dissociation, taking some measures to mitigate OH* adsorption on Ru may bring about an amazing HER performance under alkaline conditions.Catalysts are famous for their size effect. [154] Du and co-workers [155] achieved ar apid quenching of immiscible metals (single Au atoms in aRulattice) by laser ablation in the liquid phase.The design of the AuRu alloy was based on the following consideration:O nt he one hand, the weak adsorption of hydrogen on Au balances the strong adsorption of Ru.…”

Design aktiver atomarer Zentren für HER‐Elektrokatalysatoren

“…[152] Die geringe Dissoziationsenergie des Wassers und die starke OH*-Adsorption kçnnten eine Blockierung des aktiven Zentrums verursachen und damit die nachfolgende Dissoziation von Wassermolekülen und die Adsorption von H-Spezies behindern. [153] Darüber hinaus ist die Untersuchung des HER-Verhaltens unter alkalischen Bedingungen von großer Bedeutung fürd ie Entwicklung katalytisch aktiver Zentren, die in einem weiten pH-Bereich brauchbar sind. Da Ruthenium die Wasserdissoziation sehr stark beschleunigt, kann die OH*-Adsorption an Ruthenium eine erstaunliche HER-Aktivitäti mA lkalischen bewirken.…”

Competitive Adsorption: Reducing the Poisoning Effect of Adsorbed Hydroxyl on Ru Single‐Atom Site with SnO2for Efficient Hydrogen Evolution

“…As a member of Pt‐group metals, Ru has been proved to be an ideal substitute for catalyzing the HER due to the following reasons: (1) Ru possesses a relatively low price, about one‐third that of Pt, [5] (2) Ru has high efficiency on water dissociation, which accelerates the rate of the Volmer reaction and facilitates the proton supply for the subsequent reaction, [2a, 4a, 6] (3) the strong metal‐hydrogen (Ru−H) bonds lead to a rapid H‐adsorption [5, 7] . Despite the above advantages of Ru, its performance during practical alkaline HER is not satisfactory: based on Brønsted–Evans–Polanyi (BEP) principles, a low H 2 O‐dissociation barrier leads to the strong adsorption of H ad /OH ad on the surface [2a, 8] . Although the strong interaction between Ru and H atoms is beneficial to the H‐adsorption, it impedes the efficiency of H‐desorption [6, 9] .…”