Elektrokatalyse

Elektrokatalyse ist die Beschleunigung von Elektrodenreaktionen durch katalytische Oberflächen, die die zur Steuerung dieser Reaktionen erforderliche Überspannung reduzieren, was für die Effizienz von Energieumwandlungsvorrichtungen von zentraler Bedeutung ist.

Definition

Die Untersuchung und Praxis der Katalyse von Elektrodenreaktionen an der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche, wodurch die erforderliche Überspannung zur Erzielung nützlicher Reaktionsgeschwindigkeiten reduziert wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die Prinzipien der Elektrokatalyse: wie die Bindung von Reaktionsintermediaten an ein Elektrodenmaterial die Reaktionsgeschwindigkeit steuert, die Vulkanbeziehungen und das Sabatier-Prinzip, die optimale Katalysatoren identifizieren, die Schlüsselreaktionen der Energietechnologie wie Wasserstoffentwicklung, Sauerstoffreduktion und Sauerstoffentwicklung sowie die rechnerischen Deskriptoren, die zur Katalysatorkonstruktion verwendet werden. Es verbindet die Oberflächenchemie mit der Geräteleistung.

Core questions

• Wie senkt eine Elektrodenoberfläche die Aktivierungsbarriere einer Elektrodenreaktion?
• Warum tritt eine optimale katalytische Aktivität bei einer mittleren Bindungsstärke von Reaktionsintermediaten auf?
• Was macht die Sauerstoffreduktions- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen so schwer zu katalysieren?
• Wie leiten rechnerische Deskriptoren das Design neuer Elektrokatalysatoren?

Key theories

Sabatier-Prinzip und Vulkanbeziehungen

Die katalytische Aktivität wird bei einer mittleren Bindung von Reaktionsintermediaten maximiert – stark genug, um Reaktanten zu aktivieren, aber schwach genug, um Produkte freizusetzen – was eine vulkanförmige Abhängigkeit der Rate von der Bindungsenergie erzeugt.

Rechnerisches deskriptorbasiertes Design

Dichtefunktionalberechnungen der Adsorptionsenergien von Intermediaten liefern Deskriptoren, die Überspannungen vorhersagen und so ein rationales Screening und Design von Elektrokatalysatoren für Reaktionen wie die Sauerstoffreduktion ermöglichen.

Clinical relevance

Elektrokatalysatoren bestimmen die Effizienz und die Kosten von Brennstoffzellen, Wasserelektrolyseuren zur Wasserstoffproduktion und Systemen zur Kohlendioxidreduktion; die Verringerung der Abhängigkeit von knappen Platingruppenmetallen durch bessere Katalysatoren ist ein Schlüsselziel für die saubere Energietechnologie.

History

Empirische Korrelationen zwischen Elektrodenmaterial und Aktivität, wie Trasattis Wasserstoffentwicklungs-Vulkan in den 1970er Jahren, wurden in den 2000er Jahren von Nørskov und Mitarbeitern auf eine quantitative rechnerische Grundlage gestellt, was das deskriptorbasierte Katalysatordesign einleitete, das heute in diesem Bereich Standard ist.

Key figures

• Jens K. Nørskov
• Paul Sabatier
• Sergio Trasatti
• Thomas F. Jaramillo

Seminal works

• norskov2004
• seh2017
• bard2001

Frequently asked questions

Warum ist eine mittlere Bindungsstärke für einen Katalysator am besten?

Wenn Intermediate zu schwach binden, kann die Oberfläche den Reaktanten nicht aktivieren; binden sie jedoch zu stark, können die Produkte nicht desorbieren. Das durch das Sabatier-Prinzip beschriebene Gleichgewicht führt zu einer maximalen Rate bei mittlerer Bindung.

Warum ist die Sauerstoffreduktionsreaktion eine große Herausforderung?

Sie beinhaltet die Übertragung von vier Elektronen und Protonen durch mehrere Intermediate, deren Bindungsenergien miteinander verknüpft sind, sodass keine einzelne Oberfläche alle optimal bindet, was eine intrinsische Überspannung hinterlässt, die die Effizienz von Brennstoffzellen begrenzt.