一、研究背景

开发新型绿氢制备技术对于实现我国实行碳中和目标至关重要。与醇重整与煤气化工艺相比，电解水制氢具有所得氢气纯度高、工艺环保和规模易于调整等优点。凭借高电子电导性、高比表面积和成本优势，碳基电解水催化剂具有大规模应用潜力。通过改变石墨层内碳原子成键方式和电子结构，可以在碳层中引入丰富的电化学活性位点。目前已有大量研究集中在实验室小电流密度模式下的高能高效HER/OER电催化剂开发。然而相较于实验室小电流测试场景，商业化实际服役场景用HER/OER电催化剂的开发需要考虑诸多新因素，如三相界面气泡行为、电催化活性位点局域环境特征、电催化电极长服役稳定性问题和电流转换效率等。

二、工作简介

    该综述首先回顾了在实验室小电流模式下碳及碳基HER/OER电催化剂研究进展。提高电催化剂本征电催化活性和活性位点利用率对于开发高能高效电催化剂至关重要。通过引入拓扑缺陷、边缘缺陷、空位缺陷和复合缺陷结构可以将电中性碳晶格转变为局域非均匀电荷分布态，进而实现碳晶格对HER/OER反应物种和中间产物吸脱附行为的调节。通过异原子（非金属与金属元素）掺杂和金属物种（单原子、团簇和金属化合物）负载的方式可以同时实现对原有物种电子结构的调节，进而取长补短表现出优异的电催化性能。

图1 大电流密度下电解水制氢电催化剂开发需考虑因素与解决策略

随后，该综述讨论了面向商业化实际服役场景大电流密度模式下，HER/OER电催化剂开发需要考虑的新因素（图1）。涉及影响反应物种与中间物种扩散的电解液、隔膜和电催化剂-电解质界面特征都需要综合考虑。大电流密度模式下，电催化剂电极表面将产生大量气泡，气泡从电极表面形成、长大、脱离和从电解液中溢出这一连续过程对于HER/OER生成气体的持续快速分离产生很大影响（图2）。构建疏气非连续界面对于形成的H₂/O₂气泡的及时溢出至关重要。

图2 电解水制氢体系中气泡行为

目前通用的电催化剂电极集成方式是通过黏结剂将电催化剂颗粒负载在载体上。电催化剂颗粒与载体之间的粘附行为以及黏结剂与电解液的匹配行为、气泡脱出对粘结行为、碳载体在高电位酸性介质中的氧化腐蚀行为等都需要理考虑。酸性体系HER反应要远快于碱性介质，通过巧妙设计，在阴极电催化剂活性位点周围营造局部酸性环境，在阳极电催化剂周围营造局部碱性环境，都可以明显加速电解水过程。在传统电解水系统中，OER通常需要较高过电位，通过理性设计，将HER与OER解耦，各自与其他电催化反应进行耦合，就可以实现在较低槽电压下快速产氢。

    最后，该综述从疏气结构设计、碳载体表面改性、助催化剂开发、新型黏结剂开发、小分子电催化氧化反应与HER耦合等角度提出了可能的解决办法。除此之外，面向实际服役场景的高能高效高稳定的电催化水制氢催化剂的开发还应考虑体系电解液组成、体系压力、服役温度和热管理等因素。

New Carbon Materials 文章信息

CHEN Yu-xiang, ZHAO Xiu-hui, DONG Peng, ZHANG Ying-jie, ZOU Yu-qin, WANG Shuang-yin. Carbon-based electrocatalysts for water splitting at high-current-densities: A review. New Carbon Mater., 2024, 39(1): 1-16. doi: 10.1016/S1872-5805(24)60831-0

陈玉祥, 赵秀辉, 董鹏, 张英杰, 邹雨芹, 王双印. 面向大电流密度电解水的碳基催化剂研究进展. 新型炭材料（中英文）, 2024, 39(1): 1-16.

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