本刊推荐 | 同济大学马吉伟课题组：用于促进碱性HER反应动力学的异质结构催化剂的理性设计

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近日，同济大学的马吉伟教授课题组详细综述了利用碱性水分解制氢的异质结构催化剂的最新进展，着重强调了在设计异质结构催化剂过程中提升碱性HER反应动力学的几种策略，相关成果以“Rational Design of Heterostructured Nanomaterials for Accelerating Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction Kinetics in Alkaline Media”为题发表于Journal of Electrochemistry。

背景介绍

电催化分解水被认为是最有效的绿色制取氢气方式。碱性电解水（Alkaline water electrolysis, AWE）制氢面临的挑战之一是缓慢的析氢反应（Hydrogen evolution reaction, HER）动力学。通常，碱性析氢反应主要包括水分子裂解（Volmer步骤）和氢气分子生成（Heyrovsky / Tafel）步骤。水分子裂解需要比较高的能垒，氢气分子生成需要催化剂表面对氢原子具有适宜的吸附能。然而，很难在单一活性位点同时实现Volmer步骤和Heyrovsky/Tafel步骤的协同优化。基于此，异质结构催化剂由于可以实现上述两种步骤的协同而受到广泛关注。

本文亮点

本文提出了用于促进碱性HER反应动力学的异质结构催化剂的理性设计策略，并结合机器学习前沿技术对异质结构催化剂设计领域进行了展望。

图文解析

文章首先简要介绍了酸性/碱性电解质中HER所包含基元反应的主要区别。

图1  酸性/碱性HER过程包括的基元反应。

文章接着重点介绍了碱性HER反应所面临的挑战和问题，并系统介绍了用于促进碱性HER动力学过程的异质结构催化剂的5种设计策略，包括协同效应、应变效应、电子结构调控、相工程、形貌调控，涵盖每种设计策略的原理、最新应用实例，以及对每种设计策略的优缺点进行了系统总结。

图2  用于促进水分解反应的异质结构催化剂设计示意图。

总结与展望

文末，作者客观评价了5种设计策略的局限性，以及改进建议，并提出将人工智能、材料物理等前沿技术和设计理念融入异质结构催化剂的理性设计中，并对可能存在的挑战进行了汇总。总之，文章基于异质结构催化剂的合理设计深入展开，涵盖多种材料，将会促进相关催化剂材料的理解和研发。

课题组介绍

马吉伟，同济大学教授/博导、上海市政协委员，2013年获法国普瓦提埃大学化学博士学位，2013-2015年先后在德国慕尼黑工业大学和法国巴黎第六大学从事博士后研究，2015-2018年任法国国家科学研究中心A类研究员，2018年加入同济大学材料科学与工程学院，入选国家高层次青年人才计划。主要从事缺陷能源材料的设计与构筑，在国际知名学术期刊上发表学术论文50余篇，包括Nature Materials、Nature Communications、Energy Storage Materials、Chemistry of Materials、Applied Catalysis B和ACS Catalysis等，著有英文专著2章，获法国、美国、日本和中国授权专利6项。

Email：[e-mail]

课题组主页：

https://mif.tongji.edu.cn/info/1031/1561.htm

关于本文

引用格式：

马海斌, 周晓延, 李嘉艺, 程洪飞, 马吉伟. 用于促进碱性介质中析氢反应动力学的异质结构电催化剂的合理设计[J]. 电化学（中英文）,doi: 10.13208/j.electrochem.2305101.

Hai-Bin Ma, Xiao-Yan Zhou, Jia-Yi Li, Hong-Fei Cheng, Ji-Wei Ma. Rational Design of Heterostructured Nanomaterials for Accelerating Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction Kinetics in Alkaline Media[J]. Journal of Electrochemistry, doi: 10.13208/j.electrochem.2305101.

DOI：10.13208/j.electrochem.2305101

https://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.2305101

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