华中科技大学游波

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3月22日，华中科技大学游波教授团队及合作者在国际顶尖化学期刊《化学评论》（Chemical Reviews）（影响因子62.1）发表了题为“Bifunctional Electrocatalysts for Overall and Hybrid Water Splitting”的综述文章。文章系统介绍了：水分解半反应以及复合水分解的基础理论、电化学重构及相关的物理化学表征、催化剂双功能性的形成机理以及阳极替代反应耦合的复合电解类型。同时也指出系统集成策略在解决该领域挑战性问题中的重要性。
       氢能因具有高能量密度和零碳排放等优点，是实现我国“碳达峰、碳中和”目标的理想能源载体。在众多制氢方法中，利用可持续能源如太阳能、风能等产生的电力驱动水分解是一种绿色、可持续的制氢气途径。但目前仍存在1）两极催化剂功能单一和2）阳极过电位高及其产物价值低的问题。

        针对问题1，利用析氢催化剂在阳极电势下的重构现象，将催化剂原位氧化成具有析氧活性的催化位点，可赋予该材料双功能特性，从而实现单一催化剂全分解水，避免了分别制备两极催化剂的繁琐步骤以及服役过程中的交叉污染等问题；针对问题2，采用热力学更有利的氧化反应替代阳极析氧过程，能够大大降低阳极电势，避免电解水过程中H2/O2混合和活性氧生成等问题，提高产氢效率和电解装置的安全性。
        该综述围绕上述两方面，在概述电解水基本原理的基础上，系统总结了催化剂重构的内在机理、影响因素以及物化表征如电化学表征（循环伏安法/计时电势法/电化学阻抗/欠电位沉积/一氧化碳溶出）、光谱表征（红外/拉曼/紫外可见光谱）、X射线表征（衍射/光电子能谱/同步辐射吸收/发射/荧光光谱等）、电子显微镜表征（扫描电镜/透射电镜）以及扫描探针表征（扫描隧道显微镜/原子力显微镜/扫描电化学(池)显微镜）等，分别讨论了在酸性和碱性条件下全水分解双功能催化剂的种类（如酸性中的钌/铱/非贵金属/碳基材料和碱性条件下的铁/钴/镍/锰/钼/铜基材料及其复合物等）及相应的催化性能对比；详细总结了复合水分解中不同的阳极替代反应所具有的优缺点，如牺牲剂（水合肼/氨/尿素）氧化复合的水分解能够在远低于全电解水的电势条件下实现低能耗产氢，但产生低价值产物。污染物（甲酸/酚类/含硫化合物/有机染料）氧化降解复合的水分解能够在处理水污染物的同时实现氢气的产生，具有经济和生态双效益。有机物（醇类/醛类/胺类/生物质/废塑料）氧化增值复合的水分解不仅能够降低电解槽的输入电势，同时还能够获得增值的氧化产物，实现双收益；展望了该领域在催化剂批量合成、重构表征、理论模拟、阳极替代反应以及器件集成等方面所存在的挑战和应对策略。
         我校为该工作的第一完成单位及通讯单位，游波教授和辛辛那提大学孙宇杰教授为论文的共同通讯作者，游波课题组的研究生全力、姜辉和梅国梁为共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1600800）、华中科技大学学术前沿青年团队计划等项目资助。
        论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.3c00332