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这篇综述聚焦气 - 固 - 液三相界面工程在氧还原反应（ORR）的研究进展。探讨了 ORR 性能与三相界面的关系、电极结构和催化剂设计策略、ORR 反应机制等，还分析了面临挑战与未来方向，对相关领域研究极具参考价值。
引言
能源转换技术的进步在减少碳排放、应对能源危机方面潜力巨大。近年来，燃料电池和金属 - 空气电池因环保、能量密度高，成为可持续储能的热门选择。然而，其大规模商业应用受限于高性能氧阴极的缺乏，这是由于氧还原反应（ORR）动力学缓慢。
ORR 是一个多相表面主导的电催化过程，包含质量扩散、电荷转移、物种吸附、键断裂和产物脱附等关键步骤。在三相界面反应中，存在多种界面类型，高效的 ORR 催化剂对构建理想的气 - 液 - 固三相界面至关重要，同时要保证氧气反应物持续供应，及时排出水副产物，防止界面水淹。
ORR 过程有多步反应和多种吸附中间体，电催化剂活性很大程度取决于关键反应物种在活性位点的吸附 / 脱附能。在标准条件下，O2在水中溶解度低，为提升传质效率，研究人员致力于设计合成具有特定微观结构和表面化学性质的催化剂，如控制材料形貌、构建多孔结构、增强表面亲气性等。这就好比血红蛋白结合氧气的机制，通过形成纳米级三相界面边界促进反应，血红蛋白的纳米级疏水特性也影响着反应效率和路径。
此外，优异的 ORR 性能依赖于三相界面结构的优化。电极结构应促进集流层与催化剂层间的电子转移，为反应物扩散提供理想路径。催化剂的有效性不仅取决于固有活性位点，还受三相界面利用效率的影响。除了优化电子结构，设计分级形貌和电极界面也很重要，它们影响着传质、电子转移和物种吸附 / 脱附过程。虽然已有不少研究描述了修饰电极 - 电解质界面的新方法，但目前还缺乏从三相界面角度对 ORR 的系统总结，在电极中精确控制三相界面也存在困难，限制了 ORR 从旋转圆盘电极（RDE）到燃料电池或电池中膜电极组件（MEA）的转化应用。本文将全面综述气 - 液 - 固三相界面工程在优化电极和催化剂结构方面的最新进展。
ORR 性能对三相界面的依赖
ORR 的性能受多种因素影响，如 O2的渗透率、O2的分压以及溶液对流等，在气体渗透率较低的情况下这些因素的影响更为显著。足够高的气体渗透率能够克服氧气传输的限制，对提高 ORR 性能至关重要。同时，离聚物薄膜的厚度对质子传导率和氧气界面传输阻力存在周期性影响。
电极结构的设计策略
传统的电极制备方法是将催化剂墨水、导电剂和粘合剂的混合物涂覆在指定的集流体（如气体扩散层（GDL））上。然而，在常规 GDL 中运行时，电极容易发生水淹现象，这会限制氧气到达催化剂，导致三相边界的损失。因此，氧气需要通过电解质扩散才能到达催化剂，这在一定程度上影响了 ORR 的性能。
催化剂的一般设计原则
界面调控是一种有效的策略，通过利用双活性位点甚至多活性位点的协同效应，可以提高混合材料的电催化性能。催化剂在载体上的分散性对氧气传输阻力有重要影响。在催化领域，开发高效的 O2传输路径是提升催化性能的关键之一。
三相界面上的 ORR 机制
据报道，ORR 过程主要包括三个关键阶段：一是气体反应物吸附到催化剂表面的活性位点上；二是在电极和电解质的界面区域开始反应；三是反应产物从电极表面解吸到电解质基质中。在固 - 气 - 液三相界面上的 ORR 是一个复杂的电化学过程，涉及多种微观反应步骤和物质转化。
结论与展望
综上所述，三相界面工程在复杂的 ORR 电催化过程中至关重要，ORR 性能高度依赖于气 - 液 - 固界面的相互作用。通过精心优化电极结构和设计催化剂，可以显著提高催化活性和耐久性。然而，该领域仍面临诸多挑战，如精确控制三相界面、提升从 RDE 到 MEA 的转化效率等。未来研究需要在这些方面深入探索，以推动高效 ORR 催化剂的发展，促进燃料电池和金属 - 空气电池等相关技术的进步，为解决能源和环境问题提供有力支持 。
