3月22日，華中科技大學游波教授團隊及合作者在國際頂尖化學期刊《化學評論》（Chemical Reviews）（影響因子62.1）發表了題為“Bifunctional Electrocatalysts for Overall and Hybrid Water Splitting”的綜述文章。文章系統介紹了：水分解半反應以及復合水分解的基礎理論、電化學重構及相關的物理化學表征、催化劑雙功能性的形成機理以及陽極替代反應耦合的復合電解類型。同時也指出系統集成策略在解決該領域挑戰性問題中的重要性。
氫能因具有高能量密度和零碳排放等優點，是實現我國“碳達峰、碳中和”目標的理想能源載體。在眾多制氫方法中，利用可持續能源如太陽能、風能等產生的電力驅動水分解是一種綠色、可持續的制氫氣途徑。但目前仍存在1）兩極催化劑功能單一和2）陽極過電位高及其產物價值低的問題。
針對問題1，利用析氫催化劑在陽極電勢下的重構現象，將催化劑原位氧化成具有析氧活性的催化位點，可賦予該材料雙功能特性，從而實現單一催化劑全分解水，避免了分別制備兩極催化劑的繁瑣步驟以及服役過程中的交叉污染等問題；針對問題2，采用熱力學更有利的氧化反應替代陽極析氧過程，能夠大大降低陽極電勢，避免電解水過程中H2/O2混合和活性氧生成等問題，提高產氫效率和電解裝置的安全性。
該綜述圍繞上述兩方面，在概述電解水基本原理的基礎上，系統總結了催化劑重構的內在機理、影響因素以及物化表征如電化學表征（循環伏安法/計時電勢法/電化學阻抗/欠電位沉積/一氧化碳溶出）、光譜表征（紅外/拉曼/紫外可見光譜）、X射線表征（衍射/光電子能譜/同步輻射吸收/發射/熒光光譜等）、電子顯微鏡表征（掃描電鏡/透射電鏡）以及掃描探針表征（掃描隧道顯微鏡/原子力顯微鏡/掃描電化學(池)顯微鏡）等，分別討論了在酸性和堿性條件下全水分解雙功能催化劑的種類（如酸性中的釕/銥/非貴金屬/碳基材料和堿性條件下的鐵/鈷/鎳/錳/鉬/銅基材料及其復合物等）及相應的催化性能對比；詳細總結了復合水分解中不同的陽極替代反應所具有的優缺點，如犧牲劑（水合肼/氨/尿素）氧化復合的水分解能夠在遠低于全電解水的電勢條件下實現低能耗產氫，但產生低價值產物。污染物（甲酸/酚類/含硫化合物/有機染料）氧化降解復合的水分解能夠在處理水污染物的同時實現氫氣的產生，具有經濟和生態雙效益。有機物（醇類/醛類/胺類/生物質/廢塑料）氧化增值復合的水分解不僅能夠降低電解槽的輸入電勢，同時還能夠獲得增值的氧化產物，實現雙收益；展望了該領域在催化劑批量合成、重構表征、理論模擬、陽極替代反應以及器件集成等方面所存在的挑戰和應對策略。
我校為該工作的第一完成單位及通訊單位，游波教授和辛辛那提大學孫宇杰教授為論文的共同通訊作者，游波課題組的研究生全力、姜輝和梅國梁為共同第一作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃（2021YFA1600800）、華中科技大學學術前沿青年團隊計劃等項目資助。
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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.3c00332
