本文选自中国工程院院刊《Engineering》2020年第6期作者：彭立山|电化学氢-水转化系统中电解水和氢燃料电池催化剂的设计丨Engineering 本文选自中国工程院院刊《E

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2020年第6期
作者：彭立山，魏子栋
来源：CatalystEngineeringforElectrochemicalEnergyConversionfromWatertoWater:WaterElectrolysisandtheHydrogenFuelCell[J].Engineering,2020,6(6):653-679.
编者按
在当前能源需求和气候变化的背景下，可持续能源系统的研究已取得实质性进展。可再生能源的大规模应用需要高效的电能转换和高密度的电能存储技术，以实现能源分配。氢-水电化学转化被视为一种理想的、无化石原料使用的可持续能源系统，目前该能源系统中电解水和燃料电池两种核心技术的能量转换仍有较大改进空间，亟需进一步实现技术突破。
中国工程院院刊《Engineering》2020年第6期刊发《电化学氢-水转化系统中电解水和氢燃料电池催化剂的设计》，分析了氢-水能源系统中电解水和燃料电池的能量耗散；讨论了在催化剂表面发生的涉及氢-氧反应的主要障碍；通过反应性中间体与表观催化性能之间的标度关系，总结了催化活性趋势的框架，为高活性氢-氧反应电催化剂的设计提供了思路。文章介绍了一系列基于催化性能的结构工程方法（包括纳米结构化、晶面工程、相工程、非晶化、缺陷工程、元素掺杂、界面工程和合金化）及其应用，着重介绍了从以往的理论和实验研究中得到的合理指导，并概述了电化学氢-水转化系统中的关键科学问题，提出了开发具有高能量转化率的催化剂的研究方向。

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一、引言
目前全球能源消耗持续增长，但近88％的能源经济依赖化石燃料。尽管化石燃料在能源组合中所占份额过大，但化石燃料时代或许即将结束。化石燃料大量消耗或无利可图的开采只是时间问题。除了供应量减少的问题外，化石燃料的使用对全球生态系统构成了重大风险。目前，世界上的能源供给主要依靠化石燃料的燃烧。这种燃烧所产生的副产品（如二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和细颗粒物等）严重污染空气、土壤和水。我们迫切需要采用新的思维方式，以便找到解决这些问题的方案，并设计更安全、可持续的能源供应系统。可再生能源将在世界能源未来中发挥至关重要的作用。然而，可再生能源和传统能源之间的巨大差异造成了市场壁垒。可再生能源产生的能量（主要是电力形式）可能在短时间内发生不可预测的变化。例如，太阳能系统仅在阳光照射时产生能量。其他可再生能源，如风能和潮汐能，同样具有不稳定性这一不利因素。这种不稳定性使当前的可再生能源发电的可靠性低于化石燃料产生的能源，因为其输出高度依赖于天气条件（即云或风）和时间（即白天或晚上）。为了使可再生能源大规模应用，需要高效的电能转换和高密度的电能存储技术，以实现能源分配。
电化学氢-水转化（H2+O2?H2O）是一种清洁高效的可持续能源系统执行解决方案。具体来说，可再生能源可以通过水电解转化为储存在氢气中的化学能。相反，氢分子可以通过电化学的方式重组成水，以便通过燃料电池输出电能。在该能量系统中，氢充当能量载体，并且能量转换与热循环无关。因为该系统是基于电化学反应，可以有效地避免对自然环境和人类健康有害的气体和化合物的释放。
然而，在实际应用中，氢气必须首先被获取，然后被储存，最后被转换回水以释放储存的能量。为了实现这一目标，高效、低成本的水电解和燃料电池技术必须有效地结合起来。电化学过程是这些能量转换技术的核心，包括水电解技术中的析氢反应（HER）和析氧反应（OER），氢氧燃料电池中的氧还原反应（ORR）和氢氧化反应（HOR）。这四种电化学反应的效率对上述能量转换技术的输出性能有很大的影响。因此，在该可持续能源系统中，最关键的问题是如何在催化电极表面有效地催化以上反应，以获得最低的过电位和最高的电流密度。除了电化学反应引起的电压降外，内阻和传质电阻等也会影响水电解和燃料电池的总电压。因此，通过优化电极结构来加速电子、质子的转移和产物的脱附是另一个需要关注的问题。