综述：开发用于水分解的多维碳基电催化剂：从纯净的纳米结构到金属有机框架（MOF）、聚合物有机框架（POP）和MXene杂化材料

《Coordination Chemistry Reviews》：Engineering multidimensional carbon-based electrocatalysts for water splitting: From pristine nanostructures to MOF-, POP-, and MXene-hybrids

碳基纳米材料在电解水制氢中的催化机制与应用研究，系统综述了HER/OER的动力学原理及0D-3D碳材料特性，重点分析了MXenes、MOFs/COFs等新型材料的电子结构调控与界面反应路径优化策略，提出通过多级孔道设计和原子级掺杂提升催化活性和循环稳定性。

　　氢气作为一种清洁且可持续的能源载体，正逐渐成为替代化石燃料的重要选择，尤其是在交通运输领域。随着全球经济增长和人口持续增长，对能源的需求也在不断上升，而传统化石燃料的使用不仅资源有限，还会导致严重的环境污染和温室气体排放。因此，寻找一种既经济又环保的能源解决方案变得尤为迫切。在这一背景下，电化学水分解技术因其能够利用可再生能源（如潮汐能、太阳能和风能）生产高纯度氢气而受到广泛关注。该技术通过在阳极和阴极分别进行氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER），将水分解为氢气和氧气，从而为可持续氢气生产提供了可行的路径。

电化学水分解技术的核心在于电催化剂的性能，这些催化剂能够降低反应的活化能，提高反应效率。然而，设计兼具高活性和良好稳定性的电催化剂仍然是一个极具挑战性的课题。这要求对催化剂的结构和电子特性进行精确调控，以满足实际应用的需求。近年来，基于碳的纳米材料因其独特的物理化学性质而成为研究的热点。碳材料不仅具有优异的导电性，还具备可调的化学功能和高比表面积，这些特性使其在多种电化学应用中表现出色。例如，零维（0D）的碳纳米材料，如富勒烯和碳点（CDs），因其独特的光子特性和高表面反应性而备受关注；一维（1D）的碳纳米材料，如碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维（CNFs），则因其出色的拉伸强度和导电性而被广泛研究；二维（2D）的碳材料，如石墨烯和MXenes及其衍生物，因其卓越的电热性能而成为高性能电催化的理想选择；三维（3D）的碳纳米结构和基于碳的纳米材料，如源自金属有机框架（MOFs）和多孔有机框架（POPs）的材料，则因其结构稳定性和增强的电化学性能而展现出巨大潜力。

在这些碳基纳米材料中，多孔结构尤为关键。多孔结构不仅能够显著增加材料的比表面积，还能提升活性位点的可及性，从而增强催化性能。例如，MOFs衍生的材料因其可调的孔径和高比表面积而被广泛用于气体储存和分离领域。同时，多孔有机框架（POPs）及其衍生物因其轻质和柔性的结构特性，在多种电化学应用中表现出良好的适应性。此外，共价有机框架（COFs）和共轭微孔聚合物（CMPs）因其结构的稳固性和在催化领域的应用潜力而受到重视。这些材料不仅在电化学水分解中展现出卓越的性能，还在其他能源转换和存储技术中发挥着重要作用。

碳基材料的一个显著优势是其成本效益，相较于传统的贵金属催化剂（如铂），碳材料的丰富性和经济性使其成为可持续能源技术中的理想替代品。碳的相对丰度估计在180至270 ppm之间，这表明其在自然界中广泛存在。碳不仅在人体中占约18%，是仅次于氧的第二大元素，而且在地球地壳中也占据重要地位。这些特性使得碳基电催化剂在多种能源转换和存储技术中具有广阔的前景，包括燃料电池、金属-空气电池、水分解和二氧化碳还原等。此外，碳基材料在酸性和碱性条件下的强耐受性也进一步提升了其在实际应用中的稳定性和寿命。

在电化学水分解过程中，HER和OER的效率直接决定了整个反应的性能。HER通常发生在阴极区域，涉及氢离子的还原过程。在酸性环境中，HER主要通过还原水中的氢离子（H?）来生成氢气，而在碱性环境中，则通过水分子的分解产生氢气。OER则发生在阳极区域，涉及水的氧化反应，生成氧气。这两个反应的效率不仅受到催化剂结构和电子特性的影响，还受到电解质pH值的调控。因此，研究如何优化HER和OER的反应机制，以及如何通过设计高效的电催化剂来提高整体反应效率，是当前研究的重点。

基于碳的纳米结构在HER和OER中的应用已经取得了显著进展。研究人员通过掺杂或合金化等方法，对催化剂的电子结构进行调控，从而提高其催化活性。此外，催化剂层的设计也至关重要，例如通过构建多孔和可渗透的结构，可以促进电解质的渗透和电子的传输，从而提升催化性能。这些策略不仅有助于提高反应效率，还为实现更高效的水分解技术提供了理论支持和实践指导。

尽管碳基电催化剂在电化学水分解中展现出诸多优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，如何提高其稳定性和耐久性，如何在大规模生产中保持其高效率，以及如何进一步优化其结构和电子特性，以满足不同应用场景的需求。此外，碳基材料在某些极端条件下的性能表现仍需深入研究，以确保其在各种工业环境中的适用性。这些挑战促使研究人员不断探索新的合成方法和改性策略，以开发更高效、更稳定的碳基电催化剂。

展望未来，碳基电催化剂的研究方向将更加多元化和深入化。一方面，研究人员将继续致力于开发新型碳基材料，以进一步提升其催化性能和稳定性。另一方面，先进的表征技术，如原位和操作条件下的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）等，将为理解催化剂的活性位点和反应动态提供更精确的信息。这些技术的进步将有助于优化催化剂的设计和合成过程，从而推动碳基电催化剂在可持续能源领域的广泛应用。

总之，基于碳的纳米结构在电化学水分解中的应用前景广阔。它们不仅具有优异的物理化学性质，还能够通过结构和电子特性的调控，实现高效的氢气和氧气生成。随着研究的不断深入和技术的持续进步，碳基电催化剂有望成为未来可持续氢气生产的关键技术之一，为全球能源转型和环境保护提供有力支持。