中国地质大学（武汉）高睿杰、杨华明教授, Small综述：电解水催化剂的表面设计策略

电解水催化剂的表面设计策略

第一作者：周炳辉

通讯作者：杨华明*、高睿杰*

单位：中国地质大学（武汉）

氢能是一种可以取代传统化石燃料的新型能源载体，被视为最有前途的清洁能源之一。利用可再生电力来推动水分解产生氢气，在解决能源和环境问题方面具有非常广阔的前景。因此，电解水由于环保和低成本等优势引起了广泛的关注。

电解水反应包括析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。了解酸性和碱性过程中的OER和HER机理，有助于进一步研究电解水催化剂的表面调节。本文主要综述了OER和HER催化剂的缺陷、掺杂、合金化、表面重建、晶面和晶相以及异质结构等方面。此外，本文还综述了最近研究的整体水裂解催化剂。最后，本文为高效电催化新材料的合理设计和合成奠定了基础并提供了方向。

本文中，中国地质大学的高睿杰副教授与杨华明教授在国际知名期刊Small上发表题为“Surface Design Strategy of Catalysts for Water Electrolysis”的综述文章。本文总结了OER、HER以及水电解槽的反应机理，然后进一步综述电解水催化剂的表面设计，包括缺陷、掺杂、合金化、表面重建、晶面和晶相以及异质结构等方面。

要点一：OER和HER的反应机理

了解催化剂表面的反应机理是设计高效的OER和HER电催化剂的关键。其中被广泛接受的OER机理包括传统的吸附剂演化机理(AEM)、晶格氧机理(LOM)和氧化物路径机理(OPM)。最经典的HER机理是Volmer 步骤之后发生Heyrovsky步骤或Tafel步骤。对酸性和碱性过程中OER和HER机理的过程分析，有助于进一步了解催化剂的表面调控。

要点二：碱性和酸性溶液中的水电解槽

碱性水电解槽由于低温运行条件具有易于处理的灵活性。然而，碱性水电解槽也存在一些缺点。碱性水电解槽面临着能耗高、维护成本高、耐久性差、安全性差等巨大挑战。与传统的碱性水电解槽相比，PEM水电解槽具有更高的能源效率、更高的生产速率、更紧凑的设计、更低的欧姆损耗、更高的电流密度、更大的部分负载范围和更快的系统响应等优点。然而，PEM水电解槽对其组件有更高的要求，包括昂贵的聚合物膜和多孔电极。酸性环境也限制了催化剂的选择性，从而增加了膜基电解槽的成本。

要点三：OER和HER催化剂的表面调控设计

OER和HER催化剂的表面设计包括缺陷、掺杂、合金化、表面重建、晶面和晶相以及异质结构等方面。缺陷影响表面电荷分布，具有增强本征活性、提供/增加活性位点、提高电导率的功能，可以进一步促进OER和HER。与缺陷工程策略类似，掺杂的目的是通过改变原晶格来调节中间体的结合能，提高催化活性。

非金属掺杂增加了活性位点，从而提高了电子电导率和电荷转移动力学。金属的掺杂主要是为了改变原始材料的电子结构和局部结合环境。表面重建可以通过改变OER催化剂的性能，如电子结构、组分、晶相、催化位点等。不同的晶面具有不同的性质，因此选择具有最佳性能的晶面可以为催化剂的设计提供新的思路。催化剂的晶体相也是决定其电化学性质和催化反应途径的关键因素。异质结构由多种物质组成，并具有明显的界面结构。界面工程通过优化电子结构和增加活性位点密度，进一步增强动力学和热力学。

要点四：前瞻

我们综述了OER和HER的不同机制和相应的策略，并强调了各种电催化剂的表面调节策略，这有助于我们理解合理的结构-反应性相关性。然而，开发具有低成本、高活性和实际稳定性应用的催化剂仍然是一个巨大的挑战。理想的催化剂应该具有暴露的活性位点、优异的导电性和较强的稳定性。

OER和HER催化剂的研究还需要在以下方面进行努力：机理的不断探究对催化剂的设计进行指导，开发双功能的电解水催化剂，不受贵金属的限制，超高电流密度的催化剂用于工业生产，开发适用于各种pH电解液的电催化剂以降低成本。目前，表面设计策略通过改变电解水催化剂的性质、结构和形貌等，有利于提高催化性能。然而，深入研究OER和HER的潜在机制可以使设计策略变得更加广泛和具有说服力。

Surface Design Strategy of Catalysts for Water Electrolysis

https://doi.org/10.1002/smll.202202336.

高睿杰副教授 简介：

博士，中国地质大学（武汉）副教授、硕士生导师，分别在华东理工大学、天津大学获学士和博士学位，主要从事能源及生物质催化材料的理论设计及应用研究，主持和参与国家自然科学基金、湖北省自然基金、博士后科学基金等项目。以第一/通讯作者在Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、ACS Catal.、Nano Energy等国际期刊发表SCI论文20余篇，授权中国发明专利5件。担任Journal of Earth Science 青年编委。

杨华明教授 简介：

博士，中南大学、中国地质大学（武汉）教授、博士生导师，中组部国家“万人计划”领军人才、国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、享受国务院政府特殊津贴专家。

在中南工业大学获学士、硕士和博士学位，先后在英国布里斯托大学、澳大利亚昆士兰大学、俄罗斯科学院固态化学研究所任访问学者。长期从事矿物功能材料、能源与环境材料、生物医药材料、材料计算、固废资源化等研究，致力于材料、矿物、化学、物理、生物医药等多学科交叉，主持国家自然科学基金、国家科技支撑、863课题、博士点基金、教育部重点项目等，在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、EnergyChem、Chem. Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Appl. Catal. B、ChemComm、Am. Mineral.、Appl. Clay Sci.等国际期刊发表SCI论文180多篇，制修定国家/行业标准4项，授权国内专利40余件，授权国际专利4件，出版学术专著和教材6部，获省科技创新团队奖、省部级科技一等奖4项、二等奖2项和图书一等奖3项。

担任Clay Minerals副主编、Minerals客座编辑、《硅酸盐学报》编委、第22届国际矿物学大会矿物材料分会主席、全国非金属矿产品及制品标准化技术委员会委员、中国硅酸盐学会矿物材料分会副理事长、中国矿物岩石地球化学学会矿物岩石材料专委会副主任、中国非金属矿工业协会常务理事等。

周炳辉硕士研究生 简介：中国地质大学（武汉）纳米矿物材料及应用教育部工程研究中心硕士研究生。她的研究方向是对催化剂结构-功能相关性的研究及电解水催化剂的制备。