综述：水电解技术进展：通过电催化剂设计和尿素氧化提升氢氧生产效率

这篇综述系统阐述了水电解（WE）技术在应对能源短缺与环境挑战中的关键作用，聚焦高效电催化剂设计与尿素氧化反应（UOR）的创新应用，通过降低过电位（overpotential）和优化反应动力学，显著提升氢能生产效率，为清洁能源转型提供理论支撑与技术路径。

　　

电化学水分解的挑战与机遇

传统水电解技术受限于高过电位和低能量效率，导致氢能生产成本居高不下。通过设计高活性电催化剂（如过渡金属基材料），可在相同热力学电位下提升电流密度，而引入尿素氧化反应（UOR）替代析氧反应（OER）能有效降低理论电压需求至0.37 V，大幅减少能耗。

电催化剂设计的突破性策略

近期研究聚焦于调控催化剂的电子结构与表面活性位点：

1. 1.

   异质结构设计：Ni₃N/Ni界面工程通过电荷再分配优化氢吸附自由能（ΔG_H*），使HER过电位降至32 mV@10 mA cm^?2；

2. 2.

   单原子催化剂（SACs）：Fe-N-C体系在酸性介质中展现接近铂的HER活性，同时UOR中Ni³⁺/Ni²⁺氧化还原对加速尿素分子C-N键断裂；

3. 3.

   非晶态材料：Co-B-P三元合金的无序结构暴露出更多不饱和位点，协同促进H₂O解离与H*重组。

尿素氧化的协同增效机制

尿素分子（CO(NH₂)₂）在Ni(OH)₂/NiOOH催化剂表面发生6电子转移反应，其氧化电位（1.36 V vs. RHE）显著低于OER（1.23 V），同时缓解氯碱工业中的电极腐蚀问题。原位拉曼光谱证实，Ni³⁺位点吸附的*COO中间体通过质子耦合电子转移实现快速脱附，使UOR电流密度在1.5 V时达到OER的3.2倍。

环境与能源的双重收益

该技术不仅将电解槽能耗降低18.7%，还能同步处理含尿素废水（如生活污水），实现“以废产氢”。规模化测试显示，集成UOR的阴离子交换膜电解槽（AEMWE）在60°C下连续运行500小时，法拉第效率保持在98%以上，为氢能产业链的降本增效提供实证支持。

未来研究方向

开发宽pH适应性催化剂、解析UOR反应路径中的C-N裂解机理，以及设计膜电极一体化组件（MEA）将成为突破方向，最终推动水电解技术向工业化大规模应用迈进。