表/界面調控策略在氫/氧反應電極中的研究進展

王亞楠，孟秀霞，張維民，楊乃濤

（山東理工大學化學化工學院，山東 淄博 255000）

面對日益嚴峻的能源短缺和生態環境污染加劇等問題，要實現人類社會的可持續發展和人與自然的和諧共生，迫切需要開發和利用新型清潔能源，以減少或取代燃燒或消耗時產生有害物質的傳統化石燃料的使用。其中，能量密度高且環境友好的氫能是最理想的清潔能源載體。尤其是利用電解水法制備氫氣，再通過燃料電池裝置加以利用，是非常高效的產氫用氫方式。然而，無論是電解水系統、氫氧燃料電池或金屬空氣電池等能源存儲、轉換裝置都尚未得到廣泛地應用，其根本原因在于這些電化學系統中涉及的關鍵的氫電極（非酸性）和氧電極反應等動力學過程緩慢，使用的催化劑成本高、能耗較高且不同催化反應過程中需要克服各不相同的能壘。例如，在燃料電池系統中主要發生氧氣還原反應（oxygen reduction reaction,ORR）和氫氣氧化反應（hydrogen oxidation reaction,HOR），其中氧還原反應為四電子過程，需要更多的能量來活化分子。同樣地，電解水系統的陽極反應為四電子過程的析氧反應（oxygen evolution reaction,OER），相比于陰極兩電子過程的析氫反應（hydrogen evolution reaction,HER）需要消耗更多的能量，導致整個催化反應涉及的反應動力學各有差異。開發高效的電催化劑來降低催化反應過程中所需克服的能壘，以此降低反應的過電位（），是提高催化反應整體效率的關鍵。

目前，用于ORR/OER/HER 性能最優的電催化劑都是貴金屬基材料，如用于ORR 和HER 的Pt或其合金以及用于OER 的RuO或IrO。……