深圳国际研究生院刘碧录团队发文综述高电流酸性析氧电催化剂的研究进展与机遇

氢是一种能量密度高、零碳排放的绿色可持续能量载体，是未来可持续清洁能源体系中不可或缺的一部分。当前，氢气制备方法主要包括化石燃料的高温裂解(灰氢制备)和天然气重整(蓝氢制备)。虽然氢气本身是清洁的，但以上方法在制氢过程中会产生大量的碳排放，不利于可持续发展。与之相反，利用可再生能源与电解水制氢技术相整合生产“绿氢”可实现零碳排放，对于碳中和战略至关重要。电解水制氢技术中，具有较高电流密度和能量转换效率的酸性电解水技术倍受青睐，但其发展受到析氧电极活性差、稳定性弱的制约。与两电子析氢反应相比，四电子析氧反应的动力学缓慢，对析氧催化剂的本征活性提出了更高要求。大多数报道的催化剂仅在低电流密度(< 200 mA cm-2)下性能优异，难以达到高电流密度(> 200 mA cm-2)的工业使用需求。此外，在强氧化电位和酸性腐蚀性环境中，催化剂易从电极上溶解和脱落，导致其活性和稳定性显著降低，限制了其长期使用。因此，设计和开发可实现大电流密度以及长期稳定性的优异催化剂对电解水制氢技术的大规模推广至关重要。

近期，清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授团队发表综述，讨论了酸性析氧催化剂的最新进展，包括本征活性、大电流密度反应和长期稳定性，并提出了设计高性能催化剂的策略，探讨了其在质子交换膜电解水器件中的实用前景。

图1.影响酸性析氧催化剂性能的三个重要方面：催化剂本征活性、大电流密度反应、长期稳定性

首先，催化剂的本征活性是决定电极性能的重要因素，本综述强调了通过表面化学调控(包括杂原子掺杂、空位调控、合金化、核壳结构和应力调控)、非晶态调控和协同工程等策略改变催化剂的电子结构、优化中间体的结合能，进而提升其本征活性。其次，大电流密度电解水反应对活性中心的暴露、传质、电子转移和电极的稳定性等提出了更高的要求。本综述提出通过构建多孔结构和引入催化剂载体来实现大电流密度制氢。此外，综述强调了通过保护活性中心和加强催化剂与载体的相互作用来提高催化剂的化学稳定性和机械稳定性。

图2.酸性析氧催化剂本征活性提升策略：表面化学调控

最后，文章对领域的未来发展重点方向进行了展望，主要包括借助理论计算和机器学习进行电催化剂的设计和合成，通过可视化的原位成像和光谱表征厘清工作状态下催化剂的活性中心，通过多方面策略制备可实现大电流密度反应且长时间稳定运行的优异催化剂，以及质子交换膜电解水器件的工业应用等。

图3.酸性析氧催化剂的发展前景

该综述近期以《低维酸性析氧电催化剂的研究进展：高本征活性、高电流密度和优异稳定性》(Low-Dimensional Electrocatalysts for AcidicOxygen Evolution: Intrinsic Activity, High Current Density Operation, and Long-Term Stability)为题发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊上。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院刘碧录副教授和余强敏博士，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2021级博士生胡书萁。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院2020级硕士生葛诗玉、2019级博士生刘鹤鸣、2020级博士生康馨。该研究得到了国家自然科学基金委、广东省创新创业团队项目、广东省基础与应用基础研究基金项目、深圳市科创委等单位的支持。

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