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光電催化基礎(chǔ)知識之過電位

來源:北京泊菲萊科技有限公司   2022年08月12日 16:40  

過電位,亦稱超電勢、過電勢,是指在電催化或光電催化反應(yīng)過程中,達(dá)到一定電流密度時所需實(shí)際電壓超過理論電壓的部分。 

理想的狀態(tài)下,電催化或光電催化反應(yīng)所需的運(yùn)行電位即為平衡狀態(tài)下的電位。然而,實(shí)際反應(yīng)中的工作電位往往需要克服動力學(xué)過程的阻礙從而表現(xiàn)出高于平衡電位的數(shù)值,超出理論值的電壓稱為過電位,主要用來克服活化電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻等其他電阻[1]。 

簡單地理解,過電位是指電流密度達(dá)到水平時的實(shí)際電位平衡電位差值,它直接地反應(yīng)電催化或光電催化反應(yīng)的催化活性。 

根據(jù)能斯特方程[2],實(shí)際工作電位E可以表示為:

光電催化系列基礎(chǔ)知識——過電位基礎(chǔ)知識.jpg

E:實(shí)際反應(yīng)的工作電位 

E0:反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位 

T:零度(273.15℃) 

R:理想氣體常數(shù) 

F:法拉第常數(shù)(96485 C/mol) 

N:反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù) 

C0:氧化產(chǎn)物的濃度 

CR:還原產(chǎn)物的濃度

過電位基本公式可表示為:

光電催化系列基礎(chǔ)知識——過電位基礎(chǔ)知識.jpg

過電位1.jpg:過電位 

過電位2.jpg:實(shí)際電位 

過電位3.jpg:理論電位

理論上來講,過電位過電位1.jpg越接近于0 V,催化劑的性能越好,達(dá)到相對電流密度所需的實(shí)際電壓越低,耗能相對越小,催化活性越高[3]。

需要注意的是,在比較不同催化劑的過電位時,一定要指明具體的電流密度,否則比較出的結(jié)果沒有太大意義。 

在具體指明的電流密度下,催化劑的過電位越低,表明其對目標(biāo)反應(yīng)的催化能力越強(qiáng),通常選擇電流密度為10 mA/cm-2時的條件下,判斷催化劑的性能。

光電催化第四講|過電位基礎(chǔ)知識.jpg

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

參考文獻(xiàn)

[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 Chemistry2022, 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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