大电流密度电解（海）水的催化剂设计研究进展
大电流密度电解（海）水的催化剂设计研究进展
在能源转型和可持续发展的大背景下，电催化分解水制氢技术因其清洁、高效的特点而备受关注。然而，要实现工业级大规模应用，仍面临诸多挑战。近日，华中科技大学霍开富教授与汕头大学胡良胜教授、鲁福身教授团队在Renewables期刊上发表综述论文，系统总结了大电流密度下淡水/海水电解领域催化剂设计的研究进展，为推动该领域的发展提供了重要参考。
第一作者：Madiha Rafiq
通讯作者：胡良胜、鲁福身、霍开富
通讯单位：汕头大学、华中科技大学
DOI：10.31635/renewables.023.202300043
本文亮点
- 从反应原理出发，重点讨论了用于大电流密度（HCD）中析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的催化剂设计策略和主要进展。其中，深入论述了催化剂的动力学、热力学因素、选择性和抗腐蚀性。
- 探讨了高效大规模电解水制氢领域中存在的问题和未来发展方向。
研究背景
开发高效、稳定的电催化剂是实现工业级大电流密度（≥1000 mA cm-2）下电催化分解水制氢的关键。考虑到成本和资源因素，海水是用于电催化分解水的一种潜在的丰富资源，但目前关于HCD下海水电解制氢的研究报道却较少。催化剂的结构和形貌是影响HCD下分解水效率的重要因素，但鲜有相关综述对这方面进行重点研究。
图文导读
华中科技大学霍开富教授&汕头大学胡良胜教授、鲁福身教授在Renewables发表题为“Designing Electrocatalysts for High-Current-Density Freshwater/Seawater Splitting”的综述论文，重点讨论了大电流密度下淡水/海水电解领域催化剂设计的研究进展。本文首先概述了电解水的基本原理，讨论了淡水/海水电解中的各种反应和副反应；接着重点讨论了目前用于优化催化剂以提高性能的策略；随后，介绍了具有超高电催化HER、OER和全解水活性的催化剂；最后，探讨了HCD下淡水/海水领域研究中存在的阻碍和发展前景。
首先，介绍了HCD下电解（海）水的基本原理，包含反应物的吸附、还原和解吸以及质子耦合电子反应，以及催化剂的形貌和电解液pH等对HER和OER机制的影响。在海水电解中，电解过程中局部pH值会发生变化，且海水中存在Na+、Ca2+、Br-、Mg2+、I-、Cl-等杂质离子，对催化剂的设计形成了更大的挑战。海水电解的主要副反应是氯析出反应（ClER），该反应与OER是竞争反应。
根据基本原理，提出设计HCD全解水体系需要综合考虑催化剂的形貌/结构、电极表面化学以及催化剂和电解质的相互作用（图1）。
图1. 设计和调控催化剂用于高电流密度下水/海水电解的典型策略
为了实现HCD下快速的离子、电荷转移和气体扩散，需要考虑催化剂的形貌和结构。与体相催化剂相比，低维催化剂具有丰富的活性位点和更高的表面活性，更有利于催化剂和电解液的相互作用，从而促进电子/离子和反应产物的传输。近年来，零维（0D）纳米颗粒、量子点、纳米球，一维（1D）纳米棒、纳米线和二维（2D）纳米片等低维催化剂相继被报道在HCD下具有优异活性（图2）。
图2. HCD电解水低维催化剂设计策略
高活性的催化剂表面和反应物分子之间需要有合适的作用强度。为了调控这两者之间的作用强度，可以采用电荷态调控（图3）、应变工程（图4）等策略来调节催化剂材料的表面化学特性。
图3. 电荷态调控策略调节催化剂材料表面化学
图4. 应变工程策略调节催化剂材料表面化学
通过改变反应中间体和活性位点之间的键强度、调控传质效率，以及维持适当的pH值等方法可以优化催化剂和电解液之间的化学作用，从而改变催化剂的反应机理和活性。此外，提高催化剂的润湿性可以提高HCD性能（图5）。
图5. 优化电催化剂和电解质相互作用提高性能的策略
基于以上策略，本文深入讨论了HCD淡水/海水电解中HER、OER和全解水反应的多相催化剂的研究进展，并从催化剂设计的角度讨论了HCD对电催化剂的影响（图6）。
图6. 高电流密度对电催化剂的影响
总结与展望
本文总结了目前HCD分解水体系的研究进展，提出未来发展的考虑因素：
- 综合多种策略设计催化剂，使其能在HCD下仍具有优秀的活性和稳定性。
- 目前，HCD全解水领域的数据来源和数据计算方法不同，难以系统地评估海水电解制氢的经济效应。因此，需要制定适用于HCD分解水的标准条件和参数，例如在实验室测试的双电极体系中要同时提供iR补偿前后的数据，实验室模拟测试条件应与工业化条件相适配，如高的电解液浓度、真实海水、高温等。
- 运用先进的原位表征技术监测在HCD下，淡水/海水电解过程中电化学界面处的局部环境，以便实时揭示该条件下催化剂和电解质之间的相互作用机制，从而指导催化剂的设计。
文章信息
原文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/renewables.023.202300043
文章信息：Madiha Rafiq, Zanling Huang, Chaoran Pi, Liangsheng Hu*, Fushen Lu*, Kaifu Huo*, Paul K. Chu. Designing Electrocatalysts for High-Current-Density Freshwater/Seawater Splitting. Renewables, 2024, 2(1): 2-24.