综述：可持续制氢催化剂研究进展综述

这篇综述系统梳理了可持续制氢催化剂的最新进展，涵盖贵金属（Pt/Pd）、过渡金属（Ni/Co）、光催化剂（TiO2）、生物催化剂及纳米结构材料（MOFs/COFs）等体系，重点探讨了催化效率、稳定性与规模化应用挑战，为绿色氢能经济提供技术路线参考。

　　

演化与进展

催化制氢技术始于19世纪，从William Henry的催化剂失活研究到Paul Sabatier的甲烷重整催化氢化发现，奠定了现代催化基础。20世纪中叶质子交换膜(PEM)电解槽与Fujishima-Honda效应的突破，推动了光催化水分解技术的发展。近年来，纳米结构催化剂和生物仿生系统的出现，标志着催化制氢进入多学科融合创新阶段。

催化剂分类

当前催化体系可分为四大类：均相催化剂（如金属配合物）具有高选择性但难回收；非均相催化剂（如Pt/C、NiFe氧化物）易分离且稳定性强；光催化剂（如TiO₂、CdS）通过Z-型异质结提升太阳光利用率；生物催化剂（如氢化酶）在温和条件下实现高效转化。其中，过渡金属基材料因成本优势成为贵金属替代品的研究热点。

新兴技术

微波增强催化通过定向加热提升反应速率，等离子体辅助催化可精准调控活性位点。人工光合系统模仿自然界[2Fe-2S]簇结构，将太阳能转化效率提升至15%。量子点敏化技术（如CdSe@MOF）通过能带工程实现可见光全谱吸收。

挑战与未来方向

关键瓶颈包括：① 贵金属依赖导致成本过高，非Pt催化剂活性仍落后20-30%；② 光催化剂量子效率普遍低于5%；③ 工业级反应器中纳米催化剂易团聚失活。解决方案聚焦杂化架构设计（如Pt单原子掺杂Co₃O₄）和原位表征技术（环境TEM、XAS），以揭示构效关系。

过渡金属催化剂

Ni-Mo合金在碱性电解液中过电位仅50 mV，Fe-Co磷化物通过电子耦合效应将TOF提升至4.5 s^-1。但酸性环境中过渡金属溶解问题亟待解决，表面钝化层（如NiO_x）和碳包覆是有效改进策略。

非金属催化剂

氮掺杂石墨烯的缺陷位点可达到接近Pt的HER活性，硼碳氮(BCN)纳米管通过B-N协同作用实现0.3 eV的低氢吸附能。生物质衍生碳催化剂兼具孔道结构和杂原子活性中心，但长期稳定性不足200小时。

纳米结构催化剂

MOFs的比表面积突破6000 m²/g，但导电性差限制其电催化应用。将Au纳米颗粒封装于ZIF-8可同时提升传质和电子转移效率。COFs的π共轭结构有利于光生电荷分离，卟啉基COF的氢气产率达12 mmol g^-1 h^-1。

光催化剂

钙钛矿型CsPbBr₃量子点通过表面巯基修饰将稳定性延长至100小时，双助催化剂（Pt@CoO_x）空间分离实现析氢/析氧协同。目前最先进的TiO₂/CdS/Z-型体系太阳能转化效率达8.7%，但仍需解决可见光响应窄的问题。

结论

未来五年研究将集中于：① 机器学习辅助高通量筛选催化剂组合；② 仿生催化剂的理性设计；③ 等离子体-光热耦合反应器开发。只有通过跨尺度调控从原子活性位点到反应器工程，才能实现每公斤2美元的绿氢成本目标。