本刊推荐 | 电化学合成纳米与小分子材料助力电解水制氢
电化学合成为解决电解水制氢缓慢的反应动力学及较低的成本/能源效率，实现可持续、零排放的氢能源制造做出了卓越的贡献。本文首先介绍了电化学合成的基本概念与设计方法，然后专注总结了其在制造先进电催化剂和提供高效/增值共电解替代反应两方面的探索与成果。最后，本文畅想了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。
氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源，并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。然而，目前超过95%的氢能源都是由高成本高污染的化石燃料重整工艺制造的。相对清洁、环保、零排放的电解水制氢作为替代工艺有着广阔的前景，对可持续能源发展有着极大的吸引力。遗憾的是，现阶段的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。开发先进高效的催化剂以及电解体系是推动这一领域发展的重点。
先进纳米电催化剂在电解水的发展中起了决定性作用。它们的大比表面积及丰富的催化位点极大地提高了催化电解水的能量/成本效率以及稳定性。在诸多纳米合成方法中，电化学合成是一种环保、简单、高效的通过电解或其他电化学操作，对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。各式电化学方法已成功应用于制备先进高效的金属、合金、化合物基纳米催化剂，为电解水制氢的发展与机理研究做出了卓越贡献。
催化析氢之外，传统电解水的效率还同时受到阳极析氧反应动力学的制约。该反应相较析氢通常有着更高的势垒与更慢的动力学，且产生的氧气价值较低并有着污染氢气，破坏电解体系的隐患。这拖慢了电解水的总体效率。对此，电化学合成同样通过开发阳极氧化共电解反应给出了可观的解决方案。联氨、尿素、醇、醛等有着高水溶性，更低的氧化电位，更快的反应动力学，以及增值的副产物等的共电解助剂被相继开发，与阴极析氢共同构筑为高效/增值的共电解制氢体系。
本文总结了电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代反应，为提高水电解的效率和效益所做出的探索。我们首先介绍了电化学合成的基本概念、设计思路、以及常用方法。然后，我们总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢，包括稀有金属、过渡金属、合金、过渡金属氧化物、磷化物、硫化物、碳化物等等。另一方面，我们总览了小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应，实现更高效、增值的共电解制氢，包括联氨、尿素、氨、醇类、糖类、胺类、醛类、水等的氧化。我们系统地讨论了电化学合成方法、条件等与产物的关系，以启发未来的探索。
图1. 电化学合成助力电解水制氢
图1左侧展示了电化学合成各类催化析氢的纳米材料，包括稀有金属、过渡金属、合金、过渡金属氧化物、磷化物、硫化物、碳化物等。右侧总结了和析氢组成共电解体系的各式电化学小分子氧化反应，包括联氨、尿素、氨、醇类、糖类、胺类、醛类、水等的氧化。
本文总结了电化学合成在电解水制氢领域的不懈探索与丰厚成果。然而，在这条路上仍有着许多挑战与机遇。首先，目前的电化学合成手段难以制备复杂的纳米结构与复合物，尤其是各种过渡金属化合物。这亟需创新的，交叉领域的电化学合成方法，将新的反应设计或是其他电化学体系的特性带入到先进材料的合成中来。其次，共电解已经被证实为一种高效/增益的电解纯水替代方法，但我们仍需要更低能耗，更快速，更高价值的阳极氧化反应。诸如二氧化碳，氮气的氧化反应等亦有望与产氢相结合。高效的分离与提纯产物也是共电解方案中重要的一环。再次，诸多共电解产氢体系涉及多种反应物与产物，以及它们的相互作用，需要被正确的理解。这需要各种原位测试与理论模拟对这些体系的运行机理进行深入的研究学习。最后，在理解机理的基础上，设计先进的、具有针对性的双功能催化剂或阳极替代反应的催化剂以提高共电解体系的效率与效益亦是重点。
作者介绍
本文作者魏家祺博士毕业于新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院与法国索邦大学巴黎物理化学与分析化学中心，师从李述周老师，陈晓东老师，以及Mathieu Salanne老师。博士期间从事快充锂离子电池与超级电容器的机理研究与材料研发。目前魏博士在新加坡南洋理工大学李述周老师、陈晓东老师的带领下从事博士后研究，方向为基于同步辐射X光吸收普的纳米限域电化学机理与新材料研发。
关于本文
本文已在网络优先出版，将收录于《电化学》期刊的《电解水制氢专辑》。
引用格式：
魏家祺, 陈晓东, 李述周. 电化学合成纳米材料和小分子材料在电解制氢领域的应用[J]. 电化学,doi: 10.13208/j.electrochem.2214012.
Jiaqi Wei, Xiaodong Chen, Shuzhou Li. Electrochemical Synthesis of Nanomaterials and Small Molecules for Electrolytic Hydrogen Production[J]. Journal of Electrochemistry,doi: 10.13208/j.electrochem.2214012.
DOI：10.13208/j.electrochem.2214012
http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.2214012
点击文末“阅读原文”免费下载、浏览PDF全文。
相 关 推 荐
本刊推荐 | “电催化与燃料电池”文章推荐（2020-2021）