Onder de milieuproblemen zoals vervuiling en broeikaseffect, milieuvriendelijke energieopslagtoepassingen zoals brandstofcellen, ammoniakproductie en lithium-luchtbatterijen worden voorgesteld om fossiele bronnen te vervangen. Echter, het hoge overpotentieel is een van de meest urgente problemen voor praktische toepassingen, en elektrokatalysatoren worden als oplossing toegepast. Het ontwerpen van hoogactieve katalysatoren voor elektrochemische conversies is een uitdaging. Wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen, Sjanghai, China, en de Universiteit van Shanghai, Sjanghai, China, een aantal representatieve activiteitsdescriptoren beoordeeld om katalysatoren met hoge activiteit te screenen in toekomstige berekeningen en experimenten met hoge doorvoer. Dit werk, getiteld "Adsorptie-energiegebaseerde activiteitsdescriptoren voor elektrokatalysatoren in toepassingen voor energieopslag, " werd gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensie .

De wetenschappers schetsen een eenvoudige strategie om de katalytische activiteit te verbeteren om activeringsbarrières van elektrochemische reacties te verminderen door de elektronische interfacekoppeling tussen het adsorbaat en het katalysatoroppervlak af te stemmen.

"De elektrokatalytische processen omvatten meestal de adsorptie van reactanten op de oppervlakken van katalysatoren, verbreek sommige reactantbindingen om nieuwe chemische bindingen te vormen tussen de katalysator en reactanten, en resulteren in geactiveerde tussenproducten. Omdat de katalytische activiteit wordt toegeschreven aan de grensvlak elektronische koppeling, adsorptie-energie is een goede descriptor om katalytische activiteit voor oppervlaktereacties te identificeren."

Gebaseerd op de vrije energieverandering van elektrochemische reactie, de auteurs verdeelden de hele elektrochemische reactie in een intrinsiek reactiedeel en een katalytisch effectdeel. "Het katalytische effect wordt direct weerspiegeld in de adsorptie-energieverschillen van reactanten en producten, " zeiden ze. Adsorptie-energie als katalytische descriptor in die typische reacties wordt besproken in reacties op elektronenpaar, evolutiereacties en reductiereacties om het effect van elektronische koppeling tussen katalysatoren en geladen soorten op katalytische activiteit te presenteren.

"De relatie tussen adsorptie-energie en katalytische activiteit is nuttig voor de initiële selectie van katalysatoren en de sleutel tot het in kaart brengen van de relatie is om de kwantitatieve relatie tussen de intrinsieke elektronische eigenschappen van materialen en katalytische descriptoren vast te stellen, " schrijven ze. Structurele en elementaire descriptoren zoals d-band center, tolerantiefactor en bijv. elektronengetal worden uitgelegd in het d-bandraamwerk met betrekking tot adsorptie-energie. "Verder, omdat structurele en elementaire descriptoren experimenteel worden gekwantificeerd in vergelijking met adsorptie-energie, structurele en elementaire descriptoren zijn nuttig om nieuwe katalysatormaterialen te ontdekken en een sprong voorwaarts in elektrochemische prestaties te verzekeren."

"Ladingsoverdracht is ook een belangrijk onderdeel in elektrochemische reacties en verbetert de katalytische activiteit. Het principe van ladingsoverdracht is om lading van stabiele bindingen in reactanten te verwijderen en de activeringsbarrière van de snelheidsbeperkende stap te verlagen, " voegden ze eraan toe.

"Fundamenteel begrip van structuur-activiteitsrelaties tussen katalytische activiteit en fysische eigenschappen van katalysatormaterialen is nuttig om effectieve descriptoren te kiezen en om efficiënte meerschalige rekenmodellen te ontwikkelen voor een nauwkeurige beschrijving van katalysatormaterialen. Berekeningen en experimenten met hoge doorvoer kunnen worden gebruikt om te versnellen het screenen van katalysatormaterialen en het verkorten van de ontwikkelingscyclus in toekomstige studies, schrijven de wetenschappers. "Echter, zelfs het intrinsieke probleem van activiteit oplossen, katalysatoren worden nog steeds geconfronteerd met de essentiële vereisten van stabiliteit en veiligheid voordat ze in de praktijk worden toegepast... Die stabiliteits- en veiligheidskwesties moeten ook worden overwogen voordat één katalysator, die wordt gescreend om een ​​hoge katalytische activiteit uit te voeren, wordt toegepast."