【摘要】 解析ORR/OER催化反应路径（双电子/四电子机制），探讨铂基催化剂、多孔碳载体设计要点，阐述在燃料电池/金属空气电池中的应用价值。关注催化剂活性位点调控与稳定性提升策略。

氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是燃料电池、金属-空气电池等能源转换技术的核心电化学过程。深入理解其催化机制对提升催化剂效率至关重要，直接影响能源设备的性能与寿命。

 

催化作用基础

催化剂通过降低反应活化能加速化学反应，自身不参与消耗。在ORR/OER中，高效催化剂能显著提升氧气与水的转化效率。

 

氧还原反应(ORR)机制

ORR将氧气还原为水，涉及两种路径：

1.​双电子路径：O₂直接接受2个电子生成过氧化氢（酸性）或氢氧根（碱性）

2.​四电子路径：O₂经中间态逐步接受4个电子直接生成水（效率更高）
铂基催化剂（如Pt/C）仍是最常用体系，近年研究发现多孔碳纳米纤维(PCNF) 等载体可增强铂分散度与稳定性。

图1. 多孔纳米碳纤维（PCNF）制备工艺示意图（a）与PCNF的SEM图像：断面（b），表面（c）[1]

 

析氧反应(OER)机制

OER是水分解的关键步骤，涉及复杂四电子转移：

1.水分子在催化剂表面吸附

2.形成羟基自由基(·OH)等中间体

3.O-O键形成并释放氧气
金属氧化物催化剂​（如IrO₂/RuO₂）及过渡金属化合物因调节能垒能力突出，成为研究热点。

 

催化剂设计新趋势

1.​载体优化：石墨化碳材料（碳纳米管/石墨烯）提升导电性与抗腐蚀性

2.合金策略：Pt-Co、NiFe-LDH等二元体系降低贵金属用量

3.缺陷工程：表面空位/掺杂原子增强活性位点暴露

 

研究价值与产业应用

  • ​燃料电池：优化ORR催化剂可提升阴极反应效率
  • ​电解水制氢：高效OER催化剂降低能耗
  • ​金属-空气电池：双功能催化剂开发成关键突破点
    深入理解ORR/OER机理，将推动能源转换效率提升与碳中和目标实现。

 

参考文献：[1]黄歆榕,李光.多孔纳米碳纤维与炭黑复合载体负载Pt对氧还原反应活性和耐久性的影响[J/OL].复合材料学报:1-10[2024-07-01].

 

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