综述：气凝胶作为下一代电催化剂用于水电解及其他领域

本综述系统探讨了气凝胶（AG）材料在电催化水分解（WES）中的应用潜力。文章重点分析了AG材料的高比表面积（高达1000 m2 g?1）、可调控孔结构及多功能合成策略如何显著提升析氧反应（OER）和析氢反应（HER）的催化效率与稳定性，并强调了密度泛函理论（DFT）在揭示反应机制中的关键作用。

　　

引言

可持续能源存储与转换技术对解决化石燃料引发的环境与能源危机至关重要。水分解、燃料电池和金属-空气电池等清洁能源技术因其高能效和环境可持续性受到广泛关注。这些系统的效率主要取决于析氢反应（HER）和析氧反应（OER）等电化学反应。目前，Pt基材料是HER的基准电催化剂，而Ru/Ir基材料是OER的基准电催化剂，但其高成本和稀缺性限制了大规模应用。多孔纳米结构材料（如气凝胶）因其大比表面积、高效分子传输和可调控特性成为理想替代方案。

关键参数影响电催化剂性能

电催化剂性能受多个关键参数影响，包括过电位、塔菲尔斜率和交换电流密度。过电位反映反应效率，塔菲尔斜率揭示反应动力学机制，而交换电流密度直接关联催化活性。这些参数共同决定了材料在WES中的实用性与稳定性。

气凝胶的合成策略

气凝胶可通过溶胶-凝胶法、组装法、模板辅助法、乳液法、3D打印法、静电纺丝法以及水热和冷冻干燥法等多种方法合成。这些方法可精确调控AG的结构、形态和组成，使其具备高孔隙率、低热导率和超低密度（约1.2 × 10^?4 g cm^?3）等特性，从而优化其在电催化中的应用。

表面面积与孔结构的作用

AG的大比表面积和分级孔结构（大孔≥50 nm，介孔2–50 nm，微孔<2 nm）显著提升了WES的催化效率。孔结构促进了反应物扩散、气泡释放和离子传输，而高表面面积提供了丰富的活性位点，增强了反应动力学。

碳基金属氧化物复合气凝胶

碳基金属氧化物复合AG通过增强电子导电性、提升机械稳定性和优化质量传输效率，成为WES的高效催化剂。其可定制特性允许适应不同电解质环境，且经济性优于贵金属催化剂。

密度泛函理论（DFT）的作用

DFT计算通过模拟分子与催化剂表面的原子级相互作用，揭示了WES的反应机制和电子结构。它可预测结合能、电荷转移和过电位等关键性质，为理性设计高性能AG催化剂提供理论依据。

未来展望与挑战

AG在WES中的未来发展需解决生产规模化、长期稳定性、成本效益和系统集成等挑战。同时，需探索新型复合材料、优化合成工艺，并推动实验与理论研究的深度融合，以实现其在大规模可再生能源系统中的广泛应用。

结论

气凝胶凭借其独特的结构特性和可调控性能，成为下一代电催化剂的理想选择。其在WES中的应用不仅提升了催化活性和耐久性，还为可持续能源转换技术提供了新的解决方案。通过持续优化材料设计与合成策略，AG有望在清洁能源领域发挥 transformative 作用。