电催化已成为国内外学者争相研究的一个热点领域，从事该领域研究的人数持续攀升，所产生的学术论文突飞猛进。近年来，国内研究学者在电催化这一领域取得了巨大发展，先后提出了研究电催化的新视角、新材料、新反应体系。电催化研究领域涉及面广，在各个方面都取得了巨大进展，但受限于报告篇幅，本专题报告特别选择近三年非常活跃的几个体系进行分别阐述，包括新的研究视角（缺陷电催化、非金属催化剂）、经典反应（水分解反应）、新兴反应（二氧化碳还原、氮气还原）。
一、缺陷电催化
催化剂中缺陷是普遍存在的，缺陷可以改变晶体周期性结构，可以调节缺陷位及其周边原子的电荷分布。缺陷直接影响催化剂电子结构，影响反应物、中间体和产物的吸脱附过程，从而能调控其催化活性及选择性。在新型清洁能源亟需的时代背景下，缺陷电催化为新材料的创新带来了新的机遇。缺陷电催化已经被广泛应用于各类电催化反应体系。国内外科研工作者从缺陷角度出发，已经进行了大量、系统和深入的研究。
近三年来，我国缺陷电催化研究已掀起了热潮，发展势头良好。国内学者在缺陷电催化领域进行了大量的研究并做出了重要的贡献。研究者主要从缺陷的类型、缺陷的构筑、缺陷的作用以及缺陷的利用着手，研究其电催化过程。
二、非金属电催化剂
电催化剂多为贵金属（例如Pt、Ir、Ru）基催化剂，而贵金属昂贵的价格及其有限的储量大大限制了这些绿色能源技术的商业化进程。半个多世纪来，人们试图开发非贵金属催化剂来替代贵金属催化剂。
相比于金属催化剂，非金属催化材料作为新型可持续催化剂的应用逐渐被人们认识和探索。特别是廉价丰富的非金属碳基纳米材料具有独特的结构、形貌和表界面性质，以及良好的稳定性和环境友好性，在诸多化学反应过程中展示出优异的催化性能。近年来，非金属碳基纳米催化材料在电催化方面的研究和应用已成为材料、化学领域的热点方向之一。国内的研究工作主要集中在新型非金属碳基纳米材料的制备、电催化活性的评价以及活性位点的识别及催化机理的认识等。厦门大学孙世刚院士针对纳米材料的电催化应用撰写专著《纳米材料前沿--电催化纳米材料》，介绍了国内外电催化纳米材料的最新研究进展，其中包括碳基非金属电催化剂在燃料电池、电解水析氢析氧以及二氧化碳还原方面的应用，为科研人员在非金属催化剂的设计和探究提供相当重要的依据。
三、电催化水分解
四、电催化氮还原合成氨
氮气电化学还原可在温和条件下实现从水和空气直接合成氨这一热力学非自发过程，如果使电流效率和转化率得到大幅提高，其成本将主要集中到单纯的电能消耗上，在电能充足的地区极具应用前景，特别是如果未来电化学合成氨的驱动能量能由可持续的绿色能源供给，将能够彻底克服当前工业合成氨所面临的涉及能耗、污染等方面的问题。
近年来，以美国、日本等为代表的发达国家陆续开展了相应的合成氨示范项目。譬如美国能源部先进能源研究计划署于2017年启动了“REFUEL”系列项目，目的在于利用可再生能源驱动合成高能量密度的液体氨燃料。德国企业巨头西门子公司联合英国牛津大学、卡迪夫大学以及英国科学与技术设施委员会开展了世界首个氨储能先导计划——“GreenAmmonia”项目，该示范系统已于2018年6月投入运行，合成氨规模为30kg/天。日本JGC公司与国家先进工业科学技术研究院(AIST)在国家战略创新推进计划的资助下，于2018年底首次成功实现可再生能源电解水制氢合成氨与氨燃气轮机发电的集成示范，合成氨规模为20kg/天，燃气轮机发电规模达47kW。
目前国内在开展电化学合成氨研究的单位主要有华南理工大学、中科院长春应化所、吉林大学、湖南大学、复旦大学、清华大学、香港科技大学、电子科技大学等。但由于起步较晚，加上受资金投入等因素影响，我国电化学合成氨技术与世界先进水平存在一定距离，且不成规模。
五、电催化二氧化碳还原
电催化还原二氧化碳（CO2）是指在常温常压条件下，依靠太阳能、风能等可再生能源产生的电能，利用催化剂使CO2还原成可再利用的碳氢化合物燃料的技术。这种技术能实现含碳燃料到CO2再到含碳燃料的可持续的循环利用。这不仅能缓解人类社会发展面临含碳化石燃料急剧消耗的引发的能源短缺，而且能降低大气中日益增多的CO2引发的温室效应所带来的生态灾难。CO2电催化还原策略，其本质是如何激活惰性的CO2分子并促使进其还原转化，并且生成一碳到多碳产物。其难点则是，在CO2还原电位区间内，要尽可能地抑制氢气的析出。
对比国内外的研究，国外在催化研究上有很深的积累，借助领先的理论计算和表征设备，在CO2电催化还原的基础研究上确立了优势。而国内则在材料制备方面，发挥主观能动性，制备了大量高催化性能催化剂，在应用研究上并不落下风。随着国家对基础研究的不断投入，国内外的研究差距有望逐步缩小！
六、展望
尽管电催化的研究取得了一系列的进展，但也分别面临不同程度的挑战。比如，电催化剂缺陷位在电催化过程中或电池器件运行过程中的动态演变尚需进一步研究；非金属催化剂在实际器件中的电极结构工艺设计还面临诸多挑战；大电流电解水催化剂的电极构筑及其稳定性需要强化；处于起步阶段的电催化氮气还原需要更加精准的定性、定量方案；电催化二氧化碳还原在前期大量基础研究的基础上，需探讨如何进一步推动并加速其产业化进程。此外，电催化研究学者来自不同的研究领域，研究方法、思路等不尽相同，因此，为了电催化研究领域的健康、长久发展，需要尽快建立一套标准化的评估方法。
七、撰稿团队
《2018-2019化学学科发展报告》的专题报告“电催化前沿进展”部分由中国化学会电化学专业委员会组织编撰。撰稿人包括：
王双印湖南大学
王海辉清华大学
徐维林中国科学院长春应用化学研究所
张伟陕西师范大学刘敏中南大学
中国化学会
Chemsoc
原标题：《【2018-2019化学学科发展报告】电催化前沿进展》