具有空心结构的纳米催化材料设计及其电催化应用研究
摘要：利用可再生能源发电的电化学水分离技术是一种具有高纯度和零碳排放的制氢技术。然而，由于析氢/析氧反应(HER/OER)缓慢，严重阻碍了大规模水分裂的高效实现。过渡金属基化合物作为一类重要的功能材料，表现出优异的电催化性能。此外，复合空心电催化剂具有丰富的暴露活性位点、增加催化剂与电解质之间的接触面积、缩短质量/电荷传输长度等优点，为加速HER/OER动力学提供了很有前景的解决方案。本文综述了近年来过渡金属化合物及复杂空心电催化剂的研究进展及其在水分离方面的优异性能。
关键词：过渡金属； 空心结构； 催化剂；水电解
过去的几十年里全球人口和经济的持续快速增长加剧了人们对能源的需求。传统的化石燃料如煤、石油和天然气等，对环境污染严重，且不可再生[1]。为了社会的可持续发展，减少对化石燃料的依赖，必须寻找清洁的、可再生的能源，如太阳能、风能、潮汐能和氢能等新型能源。其中，氢能以其能量密度高、产物无污染、易于储存以及热转换效率高等优势成为本世纪最有前途的清洁能源之一。但在实际生产中，氢能的持续产出问题是影响其大规模使用的重要因素之一。因此，开发合适的制氢方法是人们研究的重点[2]。
目前，常用的制氢技术有化石燃料制氢、生物法制氢、太阳能制氢以及电解水制氢等。电解水制氢方法具有操作简单的特点，其制得的氢气产品纯度高，且原料、产物无污染，全球约有4%的氢气是通过电解水获取的。
电解水技术包括析氢和析氧两个半反应[3]，产物分别为H2和O2。在水电解反应中，由于阳极的析氧反应是四电子反应过程，需要较高的电位才能进行，导致其动力学缓慢，成为全水电解过程的主要障碍之一。因此，为了加快水电解反应过程，催化剂必不可少。
传统Pt基材料和Ir/Ru氧化物仍然是最优的HER和OER电催化剂。但因其资源稀缺、成本高、循环稳定性差等制约因素严重阻碍了其广泛应用。与贵金属相比，非贵金属催化剂具有来源丰富、成本低、易制备、环境友好等特点。近年来，过渡金属如Fe，Co，Ni等基化合物被人们广泛研究，表现出了优异的电催化性能[4]。此外，合金结构、金属纳米颗粒和单原子已被应用于提高贵金属基电催化剂的原子效率、循环稳定性和降低金属负载。同时，许多基于几何结构和成分的调控策略也被开发出来，以提高其对非贵金属电催化剂的催化性能。
1过渡金属化合物电解水催化剂的研究现状
1.1过渡金属碳化物
过渡金属碳化物是主要的非贵金属电催化剂材料，而且由于过渡金属碳化物低廉的成本及较好的电催化析氢和析氧催化活性，被广泛研究[5]。其中第四周期的过渡金属，如Co、Ni、Fe、V基碳化物，在过去几十年里，已经被证实具有电化学水分解的催化活性。近年来，诸多过渡金属碳化物被作为电催化剂进行研究，并取得了一定的成果。
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