综述：氢能的革命性突破：利用非贵金属实现可持续的水基生产方式

《International Journal of Hydrogen Energy》：Revolutionizing hydrogen: Non-precious metals for sustainable water-based production

本文系统综述了非贵金属催化剂在制氢中的研究进展，涵盖电催化、光催化及热催化方法，分析催化剂活性、稳定性及成本优化策略，指出当前技术瓶颈与未来方向，强调机器学习与单原子催化剂的重要性。

　　随着全球人口的增长和工业化的推进，化石燃料的使用持续增加，尽管其带来了诸如温室气体排放和空气污染等一系列问题。与此同时，化石燃料的枯竭以及其对后代造成的环境影响，也促使研究者积极寻找更加环保、可持续的替代能源。在这一背景下，氢能源因其清洁、高效和可再生的特性，逐渐被视为解决环境污染和降低碳排放的重要途径。

氢气作为地球上最丰富的元素之一，虽然自然状态下难以以纯形式存在，但通过多种方法可以实现其生产。目前，大约96%的氢气来源于化石燃料，而仅4%来自水。然而，这种依赖化石燃料的生产方式不仅环境成本高，还限制了氢能源的可持续发展。因此，研究者们正致力于探索利用可再生能源进行水电解制氢的新技术，以实现更加环保和经济的氢气生产。

在水电解制氢的过程中，催化剂的选择和优化至关重要。传统的贵金属催化剂，如铂和其复合物，虽然在酸性环境中表现出优异的催化性能，但其稀缺性和高昂的成本限制了大规模应用。因此，开发基于非贵金属的高效催化剂成为当前研究的重点。这类催化剂不仅能够降低生产成本，还具备良好的环境适应性和可持续性，有助于推动氢能源技术的广泛应用。

为了更全面地评估非贵金属催化剂的发展现状，本文通过文献计量分析的方法，对近年来关于氢气和水的催化研究进行了系统梳理。分析结果显示，非贵金属催化剂的研究呈现出明显的增长趋势，尤其是在光电催化和热催化领域。研究者们正在探索多种非贵金属材料，如镍、钴、铁、镁等，以及各种非稀土支持材料，如钙、铝、锆、硅、钡、钛、锶、镧和沸石等，以实现最佳的催化性能和材料稳定性。

在具体的催化剂设计中，研究者们采取了多种策略，包括构建异质结、调控能带结构以及优化电荷转移过程。这些方法不仅提高了催化剂的活性，还增强了其在不同反应条件下的适应性。例如，通过构建Bi?O?@TiO?异质结催化剂，研究者们成功实现了电子的高效分离和转移，从而显著提高了氢气的生成速率。实验数据显示，这种异质结构催化剂的氢气生成速率从原始TiO?纳米结构的4.20 mmol h?1 g?1提升至26.02 mmol h?1 g?1，显示出通过合理设计异质结构，可以显著提升催化性能。

此外，掺杂策略也被广泛应用于非贵金属催化剂的优化。通过在材料中引入氮元素，可以有效缩小能带间隙，从而增强催化剂对可见光的吸收能力，进一步提升其催化活性。这一策略不仅适用于非贵金属氧化物系统，也为未来非贵金属催化剂的设计提供了重要的理论基础。

在光电催化领域，研究者们还关注了表面等离子体共振（SPR）效应的作用。通过引入金纳米颗粒，可以增强电子的注入效率，从而提高光电催化制氢的性能。尽管金属于贵金属，但这一机制为未来非贵金属催化剂的设计提供了参考，表明通过优化材料的表面结构和电子传输路径，可以显著提升催化效率。

在热催化领域，研究者们探索了多种非贵金属催化剂的应用。例如，铜和钼的共沉积可以生成具有大表面积的纳米晶颗粒，从而提高催化活性。同时，研究者们还关注了微生物电解池（MECs）中的非贵金属合金阴极，如镍钼合金，其在氢气生成过程中表现出优异的电催化活性，与铂阴极相当，同时具备更低的成本和更高的稳定性。

随着人工智能和机器学习技术的发展，这些技术也被应用于催化剂的设计和优化过程中。通过模拟和预测催化剂的性能，研究者们可以更快地筛选出具有潜力的材料，从而加速氢能源技术的创新和应用。此外，单原子催化剂的设计也显示出良好的前景，其高原子利用率和优异的催化性能为未来催化剂的发展提供了新的方向。

在当前的研究中，还存在一些挑战和问题需要进一步解决。例如，如何提高催化剂的选择性，以确保反应过程中生成高纯度的氢气，同时减少不必要的副产物如一氧化碳或焦炭的生成，是研究者们关注的重点。此外，如何优化催化剂的结构和组成，以实现最佳的催化性能，也是未来研究的重要方向。

为了更好地应对这些挑战，本文还总结了当前在非贵金属催化剂开发中的主要研究进展，并提出了未来研究的建议。通过系统分析文献计量数据，研究者们可以更清晰地了解催化技术的发展趋势，从而为未来的研究提供方向性的指导。同时，本文还强调了催化剂设计中的关键因素，包括材料的物理和化学性质、反应条件的优化以及电荷传输路径的调控，这些因素共同决定了催化剂的性能和应用潜力。

总之，本文通过对非贵金属催化剂的研究进行系统梳理，揭示了其在氢气生产中的重要性和应用前景。通过文献计量分析，研究者们能够更好地理解催化技术的发展趋势，从而为未来的研究提供科学依据。同时，本文还强调了催化剂设计中的关键因素，为实现高效、经济和可持续的氢气生产提供了重要的理论支持和技术指导。