电解水之催化剂的发展方向

水电解是解决能源危机的重要制氢技术。在过去的几十年里，双功能电催化剂的设计和优化取得了巨大的努力和突破。综述了非贵金属基催化剂，包括金属、氧化物、氢氧化物、硫族化合物、磷化物、硼化物、氮化物、碳化物等。其中一些表现出与基准贵金属基催化剂相当甚至更好的水分解性能。

大概方向上催化剂的优化策略要从活性位点、内在活性和性能几个方向上开展，具体包括：

（1）利用形态学工程以便暴露更多的活性位点；

（2）使用导电支架用于提高电导率，加速电子和离子的传递；

（3）采用多金属和缺陷工程对电子结构和状态进行微调；

（4）异质结构和/或界面的构建协同提高了水的裂解性能。

备注：

缺陷工程：缺陷工程被认为是改善电极材料电子结构和物化性质的有效方法，并得到了广泛的应用。其中点缺陷是缺陷化学研究的主要内容，主要分为两大类：本征缺陷和非本征缺陷。本征缺陷，是由晶格原子的热振动引起的，对研究晶体而言是本征的组成部分，缺陷的形成并不改变整体晶体的组成。本征缺陷又包括肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷两大类。对于非本征缺陷，则是由杂质原子或者杂质离子嵌入晶格所引起的，因此也称为掺杂缺陷。不同的缺陷类型，对电极材料本身的物理和化学性质都有着非常重要的影响。因此，有效地构筑缺陷以及深入理解缺陷在电池电极反应过程中的作用机制是至关重要的。

在实际应用中，以上混合策略的组合在平衡OER和HER性能方面更为有效。尽管电催化剂在全面水分解方面取得了可喜的进展，但在HER和OER中的潜在应用仍有一些问题需要解决。虽然DFT（密度泛函理论）理论是一个有用的工具，让我们更好的理解中间反应的过程，但复合催化剂正变得越来越复杂，越来越难以确定真正的活性位点。通常有两种策略来提高电催化剂的催化活性：

(1)增加给定电极上的活性位点的数量(例如，通过增加负载量或改进催化剂结构以每克暴露更多的活性位点)或

(2)增加每个活性位点的固有活性。

因此，确定真正的活性位点是设计双功能催化剂的关键。现有的先进技术，如扫描探针显微镜（scanning probe microscopy,）、环境压力x射线光电子能谱（ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy）、软x射线吸收能谱学（soft X-ray absorption spectroscopy）和其他原位技术（in situ techniques ）可能为了解天然活性位点提供潜力。

长期稳定方面。水电解通常在碱性或酸性水介质中进行，这会导致催化剂的表面极化。为了实现从学术研究到工业生产的延伸，防止催化剂在电解液中的腐蚀是保持其高活性和稳定性的重要考量因素。合理的优化策略会有助于减轻电极的极化。

到目前为止，在实验室环境下已经制造出了很多高性能的HER、OER和整体水电解催化剂，但工业生产还有很大的改进空间。开发既具有成本效益又具有高性能的商业化的电催化剂至关重要。涂层、封装、锚定等策略可以有效减轻电解液在水分解过程中的腐蚀和结构崩溃。

另外目前非贵金属过渡金属基的电解水主要在碱性和近中性条件下比较有效，但它们在酸性溶液中会迅速溶解。在酸性条件下的水电解，尤其是OER催化剂，在整体水电解装置的广泛应用中显示出了关键的优势。迄今为止，在酸性条件下表现较好的催化剂仍然是贵金属或贵金属基的材料。在酸性条件下具有较高的耐腐蚀性是设计催化剂的基本要求之一。与大多数过渡金属和金属氧化物不同，贵金属和金属硫化物/磷化物通常在酸中耐腐蚀，用他们形成混合复合材料仍是最优选择。此外，还可以利用氧空位来改善酸性条件下的水电解解性能。