《Optics & Laser Technology》：Advances in laser ablation-assisted water electrolysis for hydrogen production
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本文系统综述了激光烧蚀技术在水电解制氢催化剂制备中的应用，分析其通过构建微纳结构、精准调控组成与形貌提升催化活性、稳定性和导电性的机制，并探讨激光诱导石墨、反应及协同处理三大路径的进展与挑战，为未来工业应用提供参考。
Jian Pu|Fang Hu|Yuan Li|Chuang Yue
中国宁波大学物理科学与技术学院微电子科学与工程系，宁波315211
摘要
近年来，全球对清洁能源需求的增加推动了通过水电解生产氢气的研究，这是一种极具前景的可再生能源技术。电催化剂在决定这一过程的效率和纯度方面起着关键作用，是提高整体性能的核心组成部分。激光烧蚀技术凭借其高效率、高精度和非接触操作的显著优势，为高性能电催化剂的制备开辟了新途径。该技术能够构建具有丰富活性位点的微/纳米框架结构，同时可以在原子水平上精确控制催化剂的组成、结构和形态。因此，它有助于全面提升催化活性、稳定性和电导率。本文系统回顾了激光烧蚀技术在电催化剂制备方面的最新进展，并对未来发展方向进行了展望，旨在为该领域的进一步突破提供有价值的参考。
引言
自工业革命以来，化石燃料被广泛用作制造、运输和发电的主要能源。它们在全球经济增长和现代化进程中发挥了重要作用。然而，随着全球能源需求的持续增长，化石燃料消费带来的环境问题，如温室气体排放、空气污染、生态退化、资源枯竭和生物多样性减少变得越来越明显。[1] 此外，由于化石燃料是储量有限的不可再生资源，许多地区的持续开采正在加速其枯竭，使其持续依赖变得根本不可持续。[2] 作为替代方案，太阳能、风能和水力发电等可再生能源应运而生。然而，尽管它们具有清洁和可持续的优势，但仍存在一些固有的挑战，包括供应的间歇性、储能限制以及巨大的土地使用需求。[3] 在这些挑战面前，氢能源作为一种能量密度高且天然丰富的能源，正成为全球能源转型的关键要素，并提供了一个极具吸引力的选择。此外，氢能源作为一种清洁能源载体，在燃烧时仅产生水，可以替代化石燃料，减少碳排放，同时与其他可再生能源相辅相成，从而推动能源系统的脱碳和可持续发展。[4] 目前，氢可以通过多种方法生产，如蒸汽甲烷重整（SMR）、煤的气化、生物质转化和光催化过程。[5] 值得注意的是，这些方法通常会产生大量的碳排放，从而限制了它们的长期可持续性。相比之下，水电解制氢具有几个独特的优势：零碳排放、操作灵活性和模块化可扩展性。[6] 这些特性使其成为低碳氢经济的关键推动者，并与全球脱碳目标高度契合。
在实际应用方面，水电解制氢反应（HER）仍面临一些显著挑战。动力学限制导致过电位高达200–300 mV，使得能量转化效率低于80%。此外，催化剂成本占系统总成本的40%以上，而铂族催化剂的耐久性不足，无法达到50,000小时的工业标准。[7] 此外，传统的合成方法由于缺乏对催化剂原子级性质的精确控制，加剧了这些障碍，导致性能与成本之间的权衡问题尚未解决。非贵金属催化剂的发展、优化电极结构以及激光辅助制造工艺为克服水电解中的高过电位和贵金属依赖问题提供了有希望的解决方案。特别是激光烧蚀技术，在催化剂制备方面显示出巨大潜力，因为它在材料加工方面具有高精度和高效率。该技术能够构建高表面积的载体结构，如三维（3D）石墨烯网络。此外，它还可以精确调节催化剂的特性，包括晶体相、粒径和表面粗糙度，从而有效增加活性位点的暴露并优化催化性能。值得注意的是，激光烧蚀技术还可以创新性地制备高性能合金/复合催化剂，通过协同利用各组分的优势显著提高稳定性、耐久性和催化效率。[8],[9],[10] 通过不断优化激光烧蚀技术和开发高效、低成本的催化剂，这种方法在水电解制氢方面显示出广泛的应用潜力，并为未来的实际应用提供了可扩展性。
在本综述中，全面分析了用于水分解应用的先进电催化剂的激光辅助合成技术的发展现状。首先，系统阐明了HER过程的基本反应机制和当前存在的障碍，并进行了批判性分析。然后，回顾了基于激光烧蚀技术的水电解制氢的最新进展，并将其分为三种主要方法：i) 激光诱导石墨烯；ii) 激光诱导反应；iii) 激光诱导协同处理。最后，对新兴机遇和现有挑战进行了展望和总结，这有助于激光技术在未来工业化和商业化应用中的实施。
部分摘录
水电解中的HER机制
通常，氢释放反应（HER）发生在阴极，并通过不同的电化学步骤进行（图1a）：(方式1) Volmer机制（吸附-脱附机制）：水分子经历电化学还原并吸附在催化剂表面，形成氢原子。[11] 随后，吸附的氢从表面脱附，结合成H2分子；(方式2) Heyrovsky机制（吸附-脱附-交换机制）：Heyrovsky机制代表
激光诱导石墨烯
激光诱导石墨烯（LIG）是一种通过在碳基材料表面直接照射激光而形成的石墨烯。与其他通常具有较低催化活性的碳材料不同，LIG经常与各种HER活性材料结合，用于制备复合电催化剂。[28] LIG为催化剂提供了更大的活性表面积和更多的活性位点，其高孔隙率和导电性增强了与电解质的有效接触并改善了电荷传输
总结与展望
如表2所清楚地总结的，每种技术在制备水电解电催化剂方面都有其独特的优势和缺点。LIG提供了一种简单、低成本的制备多孔石墨烯电极的方法，但缺乏内在的催化活性。激光诱导反应能够精确合成高活性的化合物，如金属磷化物，尽管需要复杂的前体制备。激光诱导协同处理结合了多种技术以实现更好的性能
CRediT作者贡献声明
Jian Pu：撰写——原始草稿，研究。Fang Hu：数据管理。Yuan Li：数据管理。Chuang Yue：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：61904090）和厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室项目（编号：202306）的财政支持。
