综述：先进的铂电催化剂：实现高效且耐用的海水制氢技术

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Advanced Pt electrocatalysts: Enabling highly active and durable seawater hydrogen production

　　

史权伟|吴振家|刘鸿伟|应杰|克里斯托夫·雅尼亚克

中山大学化学工程与技术学院，珠海519082，中国

摘要

海水电解用于氢气生产对实现可持续能源至关重要，但受到催化剂腐蚀、活性位点阻塞和副反应的限制。基于铂（Pt）的催化剂在氢析出反应（HER）中表现出优异的内在活性，但由于成本高昂、天然稀缺性以及稳定性不足，其在海水电解中的实际应用受到阻碍。本文系统总结了高性能基于铂的HER催化剂在海水电解中的最新进展。首先概述了海水中的基本HER机制以及基于铂的催化剂的内在活性/稳定性问题。随后，全面介绍了性能提升策略，包括结构工程、单原子设计、合金构建、异质结构配置、异质原子掺杂和载体选择，特别强调了抗氯化物腐蚀和抗沉淀机制。最后，讨论了关键挑战（如铂的成本、缺乏统一标准）和未来前景（如低铂含量催化剂、人工智能集成、原位表征、系统优化），为设计高效、稳定且经济可行的基于铂的催化剂以用于海水氢气生产提供了路线图。

引言

能源是全球工业化和社会发展的重要基础[1]、[2]、[3]。目前，化石燃料占世界能源消耗的80%以上[4]。然而，由于化石燃料的广泛使用引发的能源危机和环境退化，迫切需要发展清洁能源[5]、[6]、[7]、[8]。尽管氢气是一种理想的能量存储介质，但目前以蒸汽甲烷重整为主的制备方法难以实现低碳目标[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。相比之下，将水电解与太阳能或风能结合使用可以解决可再生能源的间歇性问题，并为大规模氢气生产提供可持续的途径[14]、[15]、[16]。海水占地球总水资源的约97%，是一种丰富的天然电解质，显著缓解了淡水稀缺和分配不均的问题[17]、[18]、[19]。然而，由于海水中复杂的化学成分，催化剂腐蚀、活性位点阻塞和竞争性副反应严重影响了海水电解的效率[20]、[21]、[22]。因此，开发高效稳定的电催化剂以促进海水中的氢析出反应（HER）仍然是一个重要的科学和技术挑战。

铂（Pt）被公认为最有效的HER电催化剂之一，这得益于其接近最佳值的氢吸附能和有利的d带中心位置[23]、[24]、[25]。然而，铂的稀缺性和高昂的成本阻碍了其大规模工业应用[26]、[27]、[28]。近年来，基于过渡金属的材料（如Ni、Fe、Co、Mn的氧化物、氢氧化物、氮化物、硫化物、磷化物）被研究作为海水电解的替代品[29]、[30]、[31]。遗憾的是，这些材料的效率低、稳定性差以及过电位高，限制了其在长期、高电流海水催化电解中的应用[32]、[33]、[34]。尽管成本高昂且储量有限，铂仍然是最常用的HER电催化剂。然而，基于铂的材料在海水电解中存在稳定性不足的问题，这主要是由于分散性差、Cl^?引起的腐蚀以及Ca²⁺/Mg²⁺沉淀物的表面钝化[35]、[36]。因此，合理设计具有强抗Cl^?腐蚀性、抗沉淀性并保持高活性的基于铂的电催化剂对于推进海水电解技术至关重要。

近年来，用于氢气生产的水/海水电解领域取得了指数级的发展[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。然而，现有的综述主要集中在氧析出反应（OER）或碱性介质中基于铂的HER催化剂的设计上，对海水特定系统的关注有限[42]、[43]、[44]、[45]。据我们所知，尚无综述全面总结了优化用于海水电解的基于铂的材料的策略。因此，有必要总结最新进展，以传播提高基于铂的HER催化剂在海水中的活性和稳定性的方法。本文概述了最近在海水电解中表现优异的基于铂的催化剂的进展（图1）。首先简要介绍了基本的HER机制以及铂在海水电解中的内在活性/稳定性问题。随后，详细介绍了提高基于铂的HER催化剂在海水中的性能的各种策略，包括结构工程、单原子设计、合金构建、异质结构配置、异质原子掺杂和载体选择。每种策略都强调了提高催化剂活性和稳定性的原则，特别是抵抗Cl^?腐蚀和沉淀的方法。最后，讨论了基于铂的催化剂在海水电解中工业化的当前挑战和未来前景。

章节片段

基本机制

海水电解遵循水电解的基本原理，包括阳极处的氧析出反应（OER）和阴极处的氢析出反应（HER）[46]、[47]、[48]。本节重点讨论了海水中的阴极HER机制（图2a）。HER通过两种主要途径进行：Volmer-Tafel途径或Volmer-Heyrovsky途径[49]、[50]、[51]。当电极表面H*覆盖度高时，相邻的H*物种

先进基于铂的电催化剂的设计策略

鉴于海水的丰富性和直接电解制氢的潜力，基于铂的催化剂在海水电解中近年来受到了广泛关注。大量研究致力于提高基于铂的催化剂在海水环境中的活性和耐久性，从而开发出一系列高性能基于铂的材料设计策略。这些策略将在下文中系统讨论并总结

总结与展望

本文系统总结了基于铂的催化剂在海水制氢方面的最新进展，旨在深入探讨如何提高其在复杂海水环境中的活性和稳定性。首先介绍了HER的基本原理以及铂在海水电解中的内在活性和稳定性问题。随后，基于前沿研究，提出了有效的策略来提高

CRediT作者贡献声明

刘鸿伟：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。吴振家：研究。史权伟：撰写 –初稿，研究。克里斯托夫·雅尼亚克：撰写 – 审稿与编辑。应杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了多孔金属材料国家重点实验室（项目编号：PMMSKL-KFKT-2025–02）、国家自然科学基金（项目编号：52201286 和 52271083）以及广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515012146、2024A1515012613 和 2025A1515011773）的支持。

史权伟是中山大学珠海分校的硕士研究生，主修化学工程与技术。他的研究重点是基于铂的催化剂的设计与合成及其在海水制氢中的应用。