析氢交换电流密度（cm-2以上的电流密度下高效析氢催化剂的设计策略总结）

析氢交换电流密度（cm-2以上的电流密度下高效析氢催化剂的设计策略总结）效率低的主要原因是：在大电流密度下，催化剂表面产生的大量H2气泡阻碍了活性位点的暴露和质量扩散，因此增加了电压的损失。此外，电解槽内部的恶劣环境(高浓度的碱性溶液或具有腐蚀性的酸性电解池，工作温度为50~90 °C)和长时间的连续工作(>100 000 h)，导致催化剂表面活性物质的变质和脱落。因此，对催化剂进行合理的的结构/组分设计可以有效解决这些问题。工业应用的水电解槽往往需要催化剂在大电流密度下高效工作。例如，质子交换膜水电解槽(PEMWEs)的工作电流密度>1600 mA cm-2，阴离子交换膜水电解槽(AEMWEs)的工作电流密度在1000 mA cm-2左右。然而，由于阴电极产氢效率低，很难实现电解水制氢的大规模应用。通讯作者：程春单位：南方科技大学【研究背景】

南方科技大学程春教授团队ACS Nano综述: 对在1000mA cm-2以上的电流密度下高效析氢催化剂的设计策略总结

【文章信息】

对在1000mA cm-2以上的电流密度下高效析氢催化剂的设计策略总结

第一作者：金梦添

通讯作者：程春

单位：南方科技大学

【研究背景】

工业应用的水电解槽往往需要催化剂在大电流密度下高效工作。例如，质子交换膜水电解槽(PEMWEs)的工作电流密度>1600 mA cm-2，阴离子交换膜水电解槽(AEMWEs)的工作电流密度在1000 mA cm-2左右。然而，由于阴电极产氢效率低，很难实现电解水制氢的大规模应用。

效率低的主要原因是：在大电流密度下，催化剂表面产生的大量H2气泡阻碍了活性位点的暴露和质量扩散，因此增加了电压的损失。此外，电解槽内部的恶劣环境(高浓度的碱性溶液或具有腐蚀性的酸性电解池，工作温度为50~90 °C)和长时间的连续工作(>100 000 h)，导致催化剂表面活性物质的变质和脱落。因此，对催化剂进行合理的的结构/组分设计可以有效解决这些问题。

近几十年来，研究人员在电催化析氢方向上取得了相当多的成果，制备了许多低电流密度下（如10和100 mA cm-2）的高性能电催化剂。相反，大电流密度下(≥1000mA cm-2)高性能催化剂的工作相对较少。本文从设计原则(图1)、合成方法和催化性能三个方面对符合条件的催化剂进行了系统的总结。首先阐述了在大电流密度下实现高效析氢的要求和解决方案。在此基础上，本文总结了大电流密度高性能析氢催化剂的设计策略。最后，提出了催化剂工业化发展面临的挑战和展望。

图1 大电流密度电催化剂的设计原理。

【文章简介】

近期，南方科技大学程春教授课题组总结了催化剂在大电流密度(≥1000 mA cm−2)下工作的主要问题以及高性能析氢催化剂的设计策略。该论文以“Strategies for designing high-performance HER electrocatalysts at large current densities above 1000 mA cm–2”为题，发表在ACS Nano。

【本文要点】

要点一：大电流密度下实现高性能析氢对催化剂的要求和解决方案

图2大电流密度下实现高性能析氢对催化剂的要求和解决方案。

与低电流密度的情况相比，大电流密度下的高效析氢需要更大规模的电荷和质量传递。因此，更多的电子和反应物应快速抵达活性位点。同时，活性位点应具有较高的内在活性，使反应及时发生。另一个主要区别是泡沫的数量。在大电流密度下，大量气泡覆盖电极表面，严重阻碍了活性位点的暴露、电荷以及质量转移。为了加速气泡的分离，需要催化剂具有较粗糙的表面和足够多的气泡通道，以减少气泡与电极之间的接触面积，从而加速气泡脱落。

​另一方面，工业上通常采用机械搅拌、较高的电解液浓度和较高的反应温度来提高催化效率，这对催化剂的机械和化学稳定性提出了更高的要求。基于上述要求，本文提出了几种解决方案。首先，为了达到快速的电荷传质要求，在导电基底上设计自支撑型催化剂或将活性物质与碳材料结合，保证了电极的高导电性。而设计多孔电催化剂，构建具有超亲水性的电极表面以及相工程，可以增强活性位点对反应物的可及性。

​其次，对于高本征活性的要求，通过调控活性位点的电子结构、创建双活性位点等化学工程，可以优化活性位点与中间体的结合能，从而加快反应动力学。第三，对于气泡快速脱离的要求，构建具有超疏气性的表面可以增加催化剂的表面粗糙度，降低气泡粘附力。设计催化剂的多孔结构或采用多孔碳载体可以提供更多的气泡流动通道。第四，对于高稳定性的要求，可以通过设计自支撑电极来增强催化剂和基底的结合，或者将催化剂包覆在碳层中，防止活性组分的溶解（图2）。下面是对几种策略的简要概括。

​

要点二：形貌工程、化学工程、活性组分与碳材料结合三大类策略介绍

形貌工程

图3 设计自支撑、多孔催化剂的示例。

设计自支撑催化剂。基底的大比表面积，有利于电解液的渗透和气体的扩散。活性材料与基底之间的紧密结合也有利于电荷的快速转移，防止催化剂在大电流下脱落。基底的选择可以是金属泡沫、不锈钢和绝缘体材料等。

设计多孔催化剂。催化剂的多孔结构可以抑制气泡聚结，且提供丰富的气体通道，有利于反应物/产物的运输。多孔结构可以通过催化剂与多孔底物(如木材、金属泡沫)结合来实现，也可以通过表面活性剂辅助合成等化学方法直接在基底上制备多孔催化剂。

​

图4 设计不同纳米结构催化剂及其润湿性表征的示例。

设计基于纳米阵列结构的超润湿催化剂。构建超润湿表面包括超疏气或超亲水表面是加速气泡脱附和传质的有效途径。通过设计不同的表面形貌，有利于构建超润湿表面。

​

化学工程

图5对活性位点电子结构的调控示例。

调节活性位点的电子结构以提高催化剂的本征活性。催化剂的活性位点应与氢具有适中的结合能。可以通过异原子掺杂、异质结构工程、合金、缺陷工程等化学方法实现对活性位点的电子结构的调控。

​

图6 构建双活性位点和相工程示例。

构建双活性位点。虽然调节活性位点的电子结构可以获得适当的氢结合能，但碱性HER活性也取决于水分解较低的解离能以及与H2O*的强结合能。单一的活性位点很难同时对这些因素有利。因此，需要创造同时为不同的反应步骤有利的双活性位点。文中主要介绍三种双活性位点作用机制，包括水吸附和氢吸附、水解离和氢吸附、氢吸附和氢解吸双位点。

相工程可以提高大电流密度下的催化活性。文中介绍两种相工程，一种是不同晶体结构之间的转变，促进了结构中的电荷转移，另一种是晶体向非晶的转变，增加催化位点的数量。

​

活性组分与碳材料结合

图7 将活性组分与碳材料结合示例。

碳材料由于其分子和结构的可调性、高导电性和对酸/碱环境的强耐蚀性，将其与活性催化剂结合可在大电流密度下提高催化剂活性和稳定性。本文分别讨论了以纳米碳材料作为涂层及载体的催化剂。

​

要点三：总结与展望

图8形貌工程、化学工程、活性组分与碳材料结合三种策略的研究进展。

图8对文中提及的催化剂的析氢性能进行总结（具体内容见原文）。除了上述设计策略外，电催化过程中的自修复策略也被用于提高催化剂的稳定性。目前，催化剂在工业化应用方面面临的挑战有：催化剂的合成过程仍受限于实验室规模(电极尺寸< 5 cm2)；实验条件下进行的稳定性测试时间短，而工业上需要催化剂在大电流密度下进行长时间工作(>100 000 h)；催化剂的活性位点和结构在在大电流密度下的动态变化以及工作机制尚未深入研究。

​

【文章链接】

Strategies for designing high-performance HER electrocatalysts at large current densities above 1000 mA cm–2

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c02820

​

【作者团队简介】

金梦添 南方科技大学程春教授课题组硕士研究生，研究方向为电解水制氢。

​

程春 南方科技大学长聘副教授、博士生导师。程春教授在香港科技大学获得博士学位。随后在香港科技大学物理系及加州大学伯克利分校与劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究。入选国家科技部重点领域创新团队和深圳市“孔雀计划”B类人才，获广东省自然科学基金“杰出青年”项目和广东省“优秀青年教师”人才培养计划项目资助，荣获“国家优秀教师”，广东省“南粤优秀教师”、广东省科技创新“青年拔尖人才” 、深圳市“优秀教师”等称号和深圳市“青年科技奖”。

​近年来在Nature Communications Advanced Materials Advance Science Small Applied Catalysis B: Environmental ACS Nano Advanced Functional Materials等国际顶尖期刊上发表论文180余篇，论文被引5470余次（H-index为42）。

​

课题组主页

https://faculty.sustech.edu.cn/cat=11&tagid=chengc&orderby=date&iscss=1&snapid=1

​

【课题组招聘】

电解水方向访问学生、访问学者、博士后职位开放，年薪33.5万（税前）