[論文レビュー] Recent Advances in Design of Electrocatalysts for High-Current-Density Water Splitting

Yuting Luo, Zhiyuan Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2022

Electrocatalysts for Energy Conversion被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、水分解の産業的に関連する電流密度（>200 mA cm-2）で機能する電催化剤の設計における最近の進展を概観し、マルチスケール設計の考慮と触媒–環境相互作用を強調する。

ABSTRACT

Electrochemical water splitting technology for producing "green hydrogen" is important for the global mission of carbon neutrality. Electrocatalysts with decent performance at high current densities play a central role in the industrial implementation of this technology. The field has advanced immensely in recent years, as witnessed by many types of catalysts have been designed and synthesized which work at industrially-relevant current densities (> 200 mA cm-2). Note that the activity and stability of catalysts can be influenced by their local reaction environment, which are closely related to the current density. By discussing recent advances in this field, we summarize several key aspects that affect the catalytic performance for high-current-density electrocatalysis, including dimensionality of catalysts, surface chemistry, electron transport path, morphology, and catalyst-electrolyte interplay. We highlight the multiscale design strategy that considers these aspects comprehensively for developing high-current-density catalysts. We also put forward out perspectives on the future directions in this emerging field.

研究の動機と目的

• 電化学的水分解によるグリーン水素生産の重要性と高電流密度で効率的に動作する触媒の必要性を動機づける。
• 産業的に関連する電流密度での触媒活性と安定性に影響を与える关键要因を特定する。
• 触媒構造、表面化学、電解質との相互作用を統合するマルチスケール設計フレームワークを提案し、性能を最適化する。
• 高電流密度電催化の開発に向けた将来の方向性と展望を議論する。

提案手法

• 高電流密度水分解に関連する最近の文献と触媒設計戦略のレビュー。
• 局所反応環境、電流密度、触媒次元性が性能に与える影響の分析。
• 表面化学、電子輸送経路、形態、触媒–電解質結合を含む設計上の考慮事項の総括。
• 将来の触媒開発のためのマルチスケールで統合的な設計視点の提案。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 mA cm-2を超える電流密度での活性と安定性に最も影響を与える設計要因は何か？
• RQ2 触媒の次元性、表面化学、電子輸送、形態、電解質相互作用は高電流密度の性能を決定するうえでどう相互作用するのか？
• RQ3 産業規模の水分解の開發を導く多重尺度設計フレームワークとは何か？

主な発見

• 分離されたまたは有利な表面化学と効率的な電子輸送を持つ触媒は高電流密度での性能が向上する。
• 局所反応環境と電流密度は触媒の活性と安定性に大きく影響する。
• 構造、界面、電解質要因を統合するマルチスケール設計アプローチは高電流密度触媒の進展に不可欠である。
• 論文は産業的に関連する電流密度（>200 mA cm-2）で動作可能な触媒へと領域が進展していることを示している。
• 将来の高電流密度電催化をさらに高めるための展望を提供する。