Under miljöhänsyn som föroreningar och växthuseffekt, miljövänliga energilagringsapplikationer som bränsleceller, ammoniakproduktion och litium-luftbatterier föreslås ersätta fossila resurser. Dock, den höga överpotentialen är en av de mest akuta frågorna för praktiska tillämpningar, och elektrokatalysatorer appliceras som en lösning. Att designa högaktiva katalysatorer för elektrokemiska omvandlingar är utmanande. Forskare från den kinesiska vetenskapsakademin, Shanghai, Kina, och Shanghai University, Shanghai, Kina, granskade några representativa aktivitetsbeskrivningar för att screena högaktiva katalysatorer i framtida beräkningar och experiment med hög genomströmning. Detta jobb, med titeln "Adsorptionsenergibaserade aktivitetsbeskrivningar för elektrokatalysatorer i energilagringsapplikationer, " publicerades i National Science Review .

Forskarna skisserar en enkel strategi för att förbättra den katalytiska aktiviteten för att minska aktiveringsbarriärerna för elektrokemiska reaktioner genom att ställa in den elektroniska gränssnittskopplingen mellan adsorbatet och katalysatorytan.

"De elektrokatalytiska processerna involverar vanligtvis adsorption av reaktanter på ytorna av katalysatorer, bryta några reaktantbindningar för att bilda nya kemiska bindningar mellan katalysatorn och reaktanterna, och resultera i aktiverade mellanprodukter. Eftersom den katalytiska aktiviteten tillskrivs den elektroniska gränssnittskopplingen, adsorptionsenergi är en bra deskriptor för att identifiera katalytisk aktivitet för ytreaktioner."

Baserat på den fria energiförändringen av den elektrokemiska reaktionen, författarna delade upp hela den elektrokemiska reaktionen i en inre reaktionsdel och en katalytisk effektdel. "Den katalytiska effekten återspeglas direkt i adsorptionsenergiskillnaderna för reaktanter och produkter, "sa de. Adsorptionsenergi som katalytisk deskriptor i dessa typiska reaktioner diskuteras i reaktioner på elektronpar, evolutionsreaktioner och reduktionsreaktioner för att presentera effekten av elektronisk koppling mellan katalysatorer och laddade ämnen på katalytisk aktivitet.

"Förhållandet mellan adsorptionsenergi och katalytisk aktivitet är till hjälp för det initiala urvalet av katalysatorer och nyckeln till att kartlägga sambandet är att fastställa det kvantitativa förhållandet mellan materials inneboende elektroniska egenskaper och katalytiska deskriptorer, " skriver de. Strukturella och elementära deskriptorer som d-band center, toleransfaktor och t.ex. elektronnummer förklaras i d-bandsramverket relaterat till adsorptionsenergi. "Vidare, eftersom strukturella och elementära deskriptorer experimentellt kvantifieras jämfört med adsorptionsenergi, strukturella och elementära beskrivningar är användbara för att upptäcka nya katalysatormaterial och säkerställa ett steg framåt i elektrokemisk prestanda. "

"Laddningsöverföring är också en viktig del i elektrokemiska reaktioner och förbättrar den katalytiska aktiviteten. Principen för laddningsöverföring är att avlägsna laddning från stabila bindningar i reaktanter och sänka aktiveringsbarriären för det hastighetsbegränsande steget, " lade de till.

"Fundamental förståelse av struktur-aktivitetssamband mellan katalytisk aktivitet och fysikaliska egenskaper hos katalysatormaterial är till hjälp för att välja effektiva deskriptorer och för att utveckla effektiva flerskala beräkningsmodeller för en noggrann beskrivning av katalysatormaterial. Högkapacitetsberäkningar och experiment kan användas för att snabba upp screening av katalysatormaterial och förkorta utvecklingscykeln i framtida studier, " skriver forskarna. "Men, även att lösa det inneboende problemet med aktivitet, katalysatorer står fortfarande inför de avgörande kraven på stabilitet och säkerhet innan praktiska tillämpningar... Dessa stabilitets- och säkerhetsfrågor bör också övervägas inför en katalysator, som screenas för att utföra hög katalytisk aktivitet, sätts i tillämpning."