厦门大学梁汉锋、电子科大江秋，AEM综述：电解水催化剂表面重构

第一作者：曾叶

通讯作者：江秋*，梁汉锋*

单位：电子科技大学，厦门大学

电催化全解水制氢被认为是一种高效、绿色的氢气生产方法，是解决全球能源问题、降低碳排放的关键。然而电解水的效率和大规模应用受到所应用的催化剂的电催化活性的限制。随着原位测试技术的发展，很多研究发现电催化剂的在析氧（OER）或析氢（HER）反应会伴随着动态自发重构，为电极反应形成真正的催化位点并决定相应的催化性能。

作为发生在电极表面的化学反应，重构过程及其生成的重构物种的数量和活性也会受到活化条件和催化剂性质的影响，调控重构过程以生成大量高活性的反应种已被证明是提高电催化剂催化性能的有效策略。然而目前大部分的报道集中于重构现象的发现与表征，对重构反应的调控过程与重构物种活性的关系缺乏一定的认识。

基于此，厦门大学梁汉锋与电子科技大学江秋合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Surface Reconstruction of Water Splitting Electrocatalysts”的综述文章。

该综述提出了评价重构过程的关键因素(重构触发条件，重构速率，重构程度和重构物种的活性)并汇总了可以表征重构过程的原位/非原位测试技术。同时还回顾了近期在调控OER和HER电催化剂的重构过程的策略所取得的进展，并详细地讨论了调控策略如何促进重构和催化过程的机理。本文为未来的高效电解水催化剂的开发和应用提供了方向。

图1. 用于OER和HER重构过程的调控策略

在OER或者HER过程中，过渡金属及其衍生物（钙钛矿，磷化物，硫化物和硒化物等）预催化剂表面会自发进行重构过程，具体表现为催化剂组分和结构的变化，有时候还会伴随组分的部分溶解。重构过程所形成的新物种是催化反应真正的反应位点，其数量和活性直接影响OER或者HER催化性能。

为了促进重构，可以设计具有高比表面积(有利于表面活化)、高结构可行性(如通过缺陷工程和添加易溶组分)或高电子/离子传输特性(如通过离子掺杂或异质结构构建)的催化剂。这些策略侧重于修饰预催化剂的不同特定性质，对重构动力学、重构途径和重构程度都有不同的影响。

近年来，电化学、电子显微镜、X射线和光谱等原位表征技术可以实时跟踪催化剂的演变(如金属价态的变化和原子结构的转变)，为进一步了解重构调控机理和设计高性能的预催化剂提供了重要的数据支持。

要点二：OER催化剂的重构策略

电催化剂在OER条件下的重构过程往往伴随着金属离子价态的提升和相应的氧化物或羟基氧化物的形成。预催化剂的重构导致了真正的活性催化位点的形成，这决定了OER性能。包括表面活化、缺陷工程、部分溶解、离子掺杂、异质结构构建和深度重构在内的改性和调控策略可以调节预催化剂的相结构和电子结构，促进电子转移速率，并降低活性物质形成所需的能垒，从而提高OER过程的重构速率、重构程度和催化活性。

要点三：HER催化剂的重构策略

和研究较多的OER过程的重构相比，用于HER的过渡金属基催化剂的动态重构过程的研究较少被涉及。在HER催化剂的重构过程中，金属离子倾向于被还原生成相应的低价或零价的金属物种以催化HER反应。理解并引导HER催化剂的重构过程对设计高效的HER催化剂同样至关重要。因此，文章同样系统性地介绍包括表面活化、组分溶解、离子掺杂和异质结构构建在内的催化剂调控改性策略并及对重构过程的影响。

要点四：前瞻

尽管催化剂的重构调控策略被证实是可行的，但开发适合大规模应用的高效重构电催化剂仍然是一个巨大的挑战。另外， OER或HER重构电催化剂的活性和稳定性有待进一步提高。对于未来电解水催化剂的重构过程研究。可从以下几个方面进行：

（1）探索重构过程对重构物种的电子结构和催化活性的调控机制，建立预催化剂性质-重构过程-重构催化剂的性质三层构效关系，同时也要进一步开发和优化各种原位/非原位表征技术，以实现对复杂成分催化剂重构过程的精准表征；

（2）对于稳定性较弱的预催化剂，如钙钛矿和MOFs，重构过程可能会由于组分的严重溶解而破坏内部结构，导致活性位点的损失。因此，应开发相应的调控策略以抑制这些活性物质的溶解，同时不显著影响重构过程；

（3）未来的调控策略应精确调整重构程度以实现表面活性位点的最大利用同时保证整体催化剂的导电性能和表面活性层与内部预催化剂的协同作用；

（4）应重视重构催化剂在更加苛刻的工业电解水条件下的应用，尽可能提升重构催化剂的结构与功能稳定性；

（5）进一步研究其他电催化反应（如CO₂还原，氧还原和氮还原等）催化剂的重构过程及相应的重构调控策略。

Surface Reconstruction of Water Splitting Electrocatalysts

梁汉锋博士, 厦门大学化学化工学院特任研究员(副教授), 博士生导师,固体表面物理化学国家重点实验室固定研究人员, 厦门大学南强青年拔尖人才, 厦门市高层次留学人员, 福建省高层次人才, 连续2年入选世界前2%顶尖科学家榜单 (2019, 2020). 

长期从事能源化工材料及表面功能涂层的开发和应用, 已发表论文70余篇, h因子39, 引用8000余次, 授权专利3项. 目前担任希腊研究和创新基金会 (H.F.R.I) 评审专家, Frontiers in Materials (JCR Q2) 副编辑, 多个期刊的编委/青年编委/专刊编辑及60余本国内外学术期刊审稿人. 

课题组网站: www.meselab.net

江秋，博士，电子科技大学材料与能源学院副教授，硕士生导师。研究方向为二维材料化学与微纳电化学的应用基础研究，包括:

 1. 石墨烯和二维材料的可控制备及典型应用，如储能、催化、传感；

2. 二维材料与微纳电化学，搭建平面结构电化学能源器件，探索表界面催化与纳米电化学.

 3. 二维材料的储能、催化机理的原位研究，利用原位表征技术和理论计算揭示电化学输运过程和反应机理等。

已发表论文40余篇，H因子31，引用4000余次。

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