综述：原位表征技术在水电解中的应用研究进展

这篇综述深入探讨了原位表征技术在电解水制氢领域的突破性应用，系统介绍了原位电子显微镜、X射线光谱和振动光谱等技术在解析析氧反应（OER）和析氢反应（HER）动态机制中的独特优势，为高性能催化剂设计和反应过程优化提供了关键方法论支撑。

　　

Abstract

在全球可持续清洁能源探索中，电解水技术凭借高纯度产氢优势成为缓解能源危机、推动绿色能源转型的关键。然而电解水化学反应机制复杂，微观过程中析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的中间态变化存在诸多未解之谜，给机理研究带来挑战。反应发生在固-液-气三相界面，其反应动力学和热力学难以捕捉。传统方法仅能提供反应前后静态信息，无法实时追踪现场动态变化，阻碍了反应机制理解和催化剂设计。

Graphical Abstract

本研究系统阐释了水分解反应原理，重点介绍了应用于OER、HER和水电解槽的原位表征技术。这些技术能实时监测催化剂表面电子结构、化学键合及中间体的动态演变，为理解反应机制、优化催化剂、提升效率提供了全新视角，同时为能源-环境问题带来创新见解。配图展示了多种原位技术联用揭示三相界面反应过程的示意图。

技术突破

原位电子显微镜实现了纳米尺度下催化剂形貌、晶体结构的实时观测，成功捕获到OER过程中金属氧化物催化剂表面晶格氧活化的动态过程。X射线吸收光谱（XAS）通过监测过渡金属K边吸收边位移，揭示了NiFe基催化剂在反应条件下价态变化规律。拉曼光谱则通过分子指纹识别，发现了HER过程中关键M-H_ads中间体的振动特征峰。

机制解析

研究发现：

1. 1.

   OER过程中存在晶格氧氧化机制（LOM），通过¹⁸O同位素标记实验证实了O-O键形成路径

2. 2.

   HER反应界面存在pH梯度效应，原位红外光谱观测到H⁺吸附中间体的动态积累过程

3. 3.

   三相界面处的纳米气泡行为通过高速原位TEM显示出对传质效率的显著影响

应用前景

这些原位技术为设计高活性双功能催化剂提供了明确指导：

• •

  通过调控金属d带中心优化中间体吸附能

• •

  构建异质界面增强电子转移效率

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  设计分级孔隙结构改善三相传质

  未来发展方向包括开发更高时空分辨率的联用系统，以及建立人工智能辅助的原位数据分析平台。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。研究结果对推动电解水制氢技术产业化具有重要指导价值，为可再生能源存储提供了关键技术支撑。