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光电催化第四讲|过电位基础知识

光电催化系列 2022-08-11 0 172

过电位,亦称超电势、过电势,是指在电催化或光电催化反应过程中,达到一定电流密度时所需实际电压超过理论电压的部分。 

理想的状态下,电催化或光电催化反应所需的运行电位即为平衡状态下的电位。然而,实际反应中的工作电位往往需要克服动力学过程的阻碍从而表现出高于平衡电位的数值,超出理论值的电压称为过电位,主要用来克服活化电阻和电荷转移电阻等其他电阻[1]。 

简单地理解,过电位是指电流密度达到指定水平时的实际电位平衡电位差值,它直接地反应电催化或光电催化反应的催化活性。 

根据能斯特方程[2],实际工作电位E可以表示为:

光电催化系列基础知识——过电位基础知识.jpg

E:实际反应的工作电位 

E0:反应的标准电位 

T:绝对零度(273.15℃) 

R:理想气体常数 

F:法拉第常数(96485 C/mol) 

N:反应中转移的电子数 

C0:氧化产物的浓度 

CR:还原产物的浓度

过电位基本公式可表示为:

光电催化系列基础知识——过电位基础知识.jpg

过电位1.jpg:过电位 

过电位2.jpg:实际电位 

过电位3.jpg:理论电位

理论上来讲,过电位过电位1.jpg越接近于0 V,催化剂的性能越好,达到相对电流密度所需的实际电压越低,耗能相对越小,催化活性越高[3]

需要注意的是,在比较不同催化剂的过电位时,一定要指明具体的电流密度,否则比较出的结果没有太大意义。 

在具体指明的电流密度下,催化剂的过电位越低,表明其对目标反应的催化能力越强,通常选择电流密度为10 mA/cm-2时的条件下,判断催化剂的性能。

光电催化第四讲|过电位基础知识.jpg

Fig.1 (a) and (c) Polarization curves[4, 5]; (b) LSV curves[6]; (d) Overpotentials (at 10 mA·cm-2) [5].

参考文献

[1] Zhu Han, Wang Qingfa*, Gao Guohua*, et al. When Cubic Cobalt Sulfide Meets Layered Molybdenum Disulfide: A Core-Shell System toward Synergetic Electrocatalytic Water Splitting[J]. Advvanced Materials, 2015, 27(32): 4752. 

[2] Bard Allen J, Faulkner Larry R, Leddy Johna, Zoski Cynthia G. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications[B], Department of Chemistry and Biochemistry University of Texas at Austin, Wiley, vol. 12. New York, 2000

 [3] S. Anantharaj, S. R. Ede, Subrata Kundu*, et al. Precision and correctness in the evaluation of electrocatalytic water splitting: revisiting activity parameters with a critical assessment[J]. Energy & Environmental Science, 2018, 11:744. 

[4] Priti Sharma,  Debdyuti Mukherjee, Yoel Sasson*, et al. Pd doped carbon nitride (Pd-g-C3N4): an efficient photocatalyst for hydrogenation via an Al-H2O system and an electrocatalyst towards overall water splitting[J]. Green Chemistry, 2022, DOI: 10.1039/d2gc00801g. 

[5] Zhang Ya, Hu Lang, Zhang Yongcai*, et al. NIR Photothermal-Enhanced Electrocatalytic and Photoelectrocatalytic Hydrogen Evolution by Polyaniline/SnS2 Nanocomposites[J]. ACS Applied Nano Materials, 2022, 5, 391. 

[6] Bai Jinwei, Hjinlu*, Wang Lei*, et al. Reduction of Charge Carrier Recombination by Ce Gradient Doping and Surface Polarization for Solar Water Splitting[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 448: 137602.

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