综述：气泡内在动力学特性与气泡驱动微马达的外部运动操控

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Intrinsic bubble dynamics and extrinsic motion manipulation of bubble-propelled micromotors

本文系统综述了非贵金属基碱性氧析出反应（OER）催化剂的最新进展，涵盖合金、氧化物、磷化物等八类材料的反应机制、结构设计及性能优化策略，并分析了高电流密度下催化剂的稳定性挑战，为工业应用提供理论指导。

　　氢能源作为一种极具潜力的绿色能源来源，正逐渐成为替代化石燃料、构建清洁低碳能源体系的重要选择。随着全球对碳峰值和碳中和目标的重视，氢能源在减少温室气体排放和实现可持续发展方面展现出广阔前景。目前，水电解制氢被认为是生产氢气最环保的方法之一，其过程无需燃烧，不会产生二氧化碳等有害气体，具有零污染和高度灵活性的优势。在众多水电解技术中，碱性水电解技术因其技术成熟度高、成本相对较低且具备良好的可扩展性，成为当前最具应用潜力的制氢方式之一。

然而，碱性水电解制氢过程中，阳极的氧析出反应（OER）依然是制约整体效率的关键因素。OER涉及复杂的四电子转移过程，并需要形成O–O键，这导致其反应动力学相对缓慢，所需的过电位较高。因此，开发高效且低成本的非贵金属基OER电催化剂成为当前研究的热点。传统上，商用的碱性OER电催化剂主要依赖于贵金属材料，如RuO?和IrO?，这些材料虽然表现出优异的催化活性，但其稀缺性和高昂的成本严重限制了其在大规模应用中的可行性。相比之下，过渡金属如铁（Fe）、镍（Ni）、铜（Cu）和钴（Co）不仅储量丰富、成本低廉，而且在特定条件下表现出良好的催化潜力。

铁、镍、铜和钴等过渡金属在碱性环境下的OER性能已经被多项研究证实。例如，铁基电催化剂因其独特的电子结构和丰富的表面活性位点，被广泛用于提升OER的反应速率。镍基材料则因其高比表面积和优异的电子传导能力，成为高效的OER催化剂。铜基电催化剂则通过引入高价态镍物种，显著提高了其在碱性条件下的催化活性。此外，钴基材料因其稳定的结构和良好的电子特性，也显示出在碱性电解环境中的应用潜力。这些材料的催化性能不仅受到其组成元素的影响，还与其结构设计、表面改性和动态重构行为密切相关。

为了进一步提升非贵金属基OER电催化剂的性能，研究者们采取了多种策略。首先，通过调整材料的结构设计，如构建多孔结构、纳米结构或异质结构，可以有效增加催化剂的比表面积，从而提高其活性位点的数量和反应效率。其次，电子结构的调控是提升催化活性的重要手段。通过元素掺杂、合金化或表面修饰等方式，可以改变催化剂的电子分布，使其更有利于OER的进行。例如，铁的掺杂可以优化催化剂的电子结构，从而增强其对氧的吸附和活化能力。此外，动态重构行为的研究也为催化剂性能的提升提供了新的思路。在电解过程中，催化剂表面可能会发生结构变化，如晶格畸变、表面重构或氧化还原反应，这些动态过程对于催化剂的稳定性和活性具有重要影响。

在实际工业应用中，非贵金属基OER电催化剂面临诸多挑战。特别是在高电流密度条件下（≥500 mA cm?2），这些催化剂的活性和稳定性往往难以满足要求。高电流密度意味着更高的反应速率和更大的能耗，这对催化剂的性能提出了更高标准。在这样的条件下，催化剂可能会因表面重构、气体泡的影响或质量传输限制而出现性能下降。因此，针对这些挑战，研究者们需要深入探讨催化剂的表面行为、气泡效应和质量传输机制，以期开发出更适用于工业规模应用的高效催化剂。

当前，非贵金属基OER电催化剂的研究已取得显著进展，但仍然存在一些局限性。例如，大多数研究集中在特定类型的材料上，缺乏对不同材料体系的系统比较和综合分析。此外，许多研究仍局限于理想实验室条件，未能充分考虑实际工业应用中可能遇到的复杂环境和挑战。这些问题限制了非贵金属基OER电催化剂在实际应用中的推广和优化。因此，未来的研发方向应更加注重材料的全面评估，包括其结构设计、电子特性、动态行为以及在不同工况下的稳定性。

综上所述，非贵金属基过渡金属OER电催化剂在实现绿色氢能生产方面具有重要意义。随着研究的不断深入和技术的进步，这些材料有望在成本、性能和稳定性等方面取得突破，从而推动碱性水电解技术在工业上的广泛应用。通过系统的结构设计、电子调控和动态行为研究，可以进一步优化催化剂的性能，提高其在高电流密度条件下的应用价值。这不仅有助于解决当前能源结构中的碳排放问题，也为实现可持续发展提供了新的解决方案。