由日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）RyuheiNakamura领导的研究团队取得的进展，对于推动氢能源经济的可持续发展具有重大意义。通过创新催化剂的设计，他们显著提高了从水中提取氢气过程的效率和可行性，这对于减少对传统化石燃料的依赖并促进全球碳中和目标至关重要。
先前，由于依赖稀有且昂贵的金属如铱作为催化剂，PEM水电解技术的广泛应用受到了限制。Nakamura团队的创新绕过了这一障碍，他们开发的地球丰富金属催化剂不仅成本更低，而且更加可持续，为大规模生产氢气提供了可行路径。这对于氢能作为清洁能源的存储和运输，特别是在与PEM燃料电池结合应用于交通和电力领域，具有革命性的潜力。
全球能源的需求增加和环境污染的双重趋势给现在的世界带来了重大挑战和问题。作为回应，大量的研究和开发工作集中在创新替代能源和更有效的储能系统上。
这些能量转换和存储技术的核心是电化学反应，包括氧还原反应，析氧反应，和析氢反应。
使用可持续能源生产绿色氢气的水电解槽和FC通过这些反应以氢气为燃料产生电力。
然而，由于反应本质上是缓慢的，因此需要催化剂来最大限度地提高转化效率。因此，催化剂通常是决定能量转换和存储系统的效率、稳定性和成本的关键因素。
1、氧还原反应
燃料电池将化学能转化为电能，是一种高效、环保的系统,使用基本上无限的燃料（例如氢气和氧气）。由于其能量转换效率高，燃料电池有望广泛应用于各个领域发电，并为全球能源和环境问题提供潜在的解决方案之一。
FC中使用的阳极和阴极材料通常由活性炭黑上的Pt纳米颗粒组成。电极材料（金属和载体）的组合促进了氢氧化反应（HOR）和ORR。由于阳极处的HOR速率很快，因此需要少量的Pt。
然而，阴极的ORR速率非常缓慢,需要大量的Pt来平衡整体反应动力学，以实现最大的FC性能。因此，铂的高成本是燃料电池商业化的关键障碍。减少铂负载或用地球上丰富的廉价金属代替铂是燃料电池实际应用的主要挑战。
2、铂基催化剂
一般来说，贵金属催化剂，特别是铂基(Pt)催化剂，由于其作为ORR催化剂具有优异的催化活性和稳定性，已经进行了多年的深入研究。在许多研究中，Pt已被广泛用作寻找新催化剂的参考催化剂。
PtNPs负载在多孔碳材料上的催化剂是最成功的商业ORR催化剂。然而，由于其稀缺性和成本竞争力，它在商业化阶段存在严重问题。
在贵金属中，Pt基催化剂是研究最充分的ORR催化剂。
3、钯基催化剂
钯(Pd)是铂族金属(PGM)之一，因此具有与Pt类似的电子特性。事实上，Pd对于ORR表现出良好的活性，而且其成本仅为Pt的一半到四分之一。
因此，钯基催化剂被认为是极具吸引力的铂替代品。作为ORR的非Pt催化剂，以优化原子比（7.5:1.5:1.0）制备并在500℃下热处理的Pd-Fe-Mo催化剂表现出与Pt/C催化剂相似的催化性能。
它们的动态电流密度在0.9VRHE下为32.18mAmgPGM-1，3000次循环后，电流密度降至6.20mAmgPGM1，明显优于其他非Pt催化剂。此外，在碳的实际操作条件下，Pd-Fe-Mo催化剂在0.6VRHE下表现出506mAcm-2的出色性能，证明了这种非Pt催化剂的ORR资格。
采用多元醇和氢化物还原相结合的新方法制备了单分散PdFe纳米颗粒。所得的PdFeNPs在还原气氛下进行热处理以诱导结构修饰。这样，dPd的能带中心下移，然后调整Pd和氧物种之间的亲和力以诱导更有利的ORR动力学。
结果，PdFeNP的ORR质量和面积活性相对于Pt/C催化剂分别提高了约3倍和18倍。
使用PdFe催化剂的单电池测试也显示出比参考Pt电池高约2.5倍的质量归一化最大功率密度。以聚乙二醇为稳定剂，通过电化学还原制备了硫醇化氧化石墨烯负载的PdCo合金催化剂用于ORR。
4、非贵金属基催化剂
贵金属基催化剂，特别是铂基催化剂，由于其高成本和耐用性而成为商业化阶段的一大障碍。目前，ORR研究主要集中在开发具有成本效益且可靠的催化剂。
在过去的几十年中，人们研究了各种非贵金属基催化剂来替代燃料电池中使用的Pt基ORR催化剂。已经进行了许多研究来改善其稳定性问题。其中，非贵金属-氮-碳络合物和非贵金属氧化物已被证明是铂催化剂的潜在替代品。
在水分解中，HER和OER分别发生在阴极和阳极。在FC中，ORR和HOR分别在阴极和阳极产生。HER是二电子转移途径，而OER是四电子转移途径因此，OER需要更高的能量来克服固有的能垒。
水是一种高效的能量载体，OER电催化活性的研究已在积极开展。因此，已报道了多种催化剂，它们在不同电解质条件下表现出增强的反应动力学和耐久性。
5、金属氮化物/金属碳化物/金属磷化物
通过单分散Co3普鲁士蓝类似NC前驱体的氮化和煅烧合成了具有明确开放框架形状的3D介孔Co3N非晶氮掺杂碳NC催化剂。
Co3NAN-CNCs催化剂表现出优异的OER活性，具有显着低的塔菲尔斜率和低过电势。此外，它们在碱性条件下表现出出色的稳定性，没有表现出任何显着的形态变化或电压增加。
通过简单的电沉积方法制备了由沉积在树枝状铜和镍上的金属碳化物层组成的催化剂。它们具有有效的催化活性位点，具有适当的结合能，有利于OER中的电子转移。
装饰在树枝状金属载体上的金属碳化物提供了适当的O结合能和耐久性，因此CuCx/Cu和NiCx/Ni催化剂对于OER表现出明确的极限电流密度，分别为-5.19和-5.11mAcm-2。根据DFT计算，NiC的过电势x/Ni催化剂比没有NiCx层的Ni低0.74eV。
采用简单的一步电沉积方法在高电流密度下制备了多孔Co-P催化剂。该技术涉及在Co-P沉积时快速产生氢气泡，形成多孔Co-P形状。该催化剂对OER表现出出色的电催化活性和耐久性，在1.0m内表现出与Ir/C和RuO2相比更高的电催化活性。
该性能归因于多孔Co-P中Co和P之间的有效电荷分离。其孔隙率还提供了高电化学活性表面积。多孔Co-P的计算ECSA是无孔Co-P薄膜的2.4倍。
6、非金属化合物
通过水热反应合成一维石墨氮化碳纳米棒。将块状gC3N4改变为1DgC3N4纳米棒，产生了具有大量活性位点、增加的活性表面积和改善的电荷转移的材料。
优化的1Dg-CN在1maq中在10mAcm-2下表现出316mVRHE的过电势。KOH溶液，塔菲尔斜率为125mVdec-1。1DgC3N4出色的电催化性能主要归因于一维结构和氧化吡啶氮导致的大量暴露的活性位点，证实了详细形态定制和杂原子掺杂的重要性。
磷和硫共掺杂的C3N4由于协同几何效应和电子效应而表现出出色的电催化OER活性，分别通过结构变形增加配位不饱和sp3-C，并通过控制来自掺杂剂的额外电子的电子排列来增加电导率。
结果，PCSC-C3N4表现出比商业Pt和RuO2催化剂更高的OER/ORR特性，具有相当的过电势，分别为0.42和0.27V。
然而，电化学制氢的效率不足以满足商业要求，因为水是稳定的分子，需要很高的过电势才能分解成氢气和氧气，导致电能转化为气体的效率低。
据报道，许多催化剂可以促进HER的发展。其中，铂基催化剂表现出优于其他催化剂的性能。它们在工作期间具有最低的过电位和最高的电流密度。
尽管如此，它们的应用在很大程度上受到高成本和相对稀缺性的限制。以低成本开发具有高活性和稳定性的可行替代品仍然是一个重要的挑战。
7、铂基催化剂
火山图表明PGM位于火山曲线的顶点附近，显示出卓越的HER性能。在铂族金属中，位于火山曲线峰值的Pt是最有效的HER电催化剂，具有接近零的起始过电势和较小的塔菲尔斜率。
基于Sabatier原理，最佳的M-H键强度表明氢在Pt表面有适当的吸附和解吸，从而导致较高的HER活性。
例如，尺寸在1-3nm范围内，比质量活度随着颗粒的减小而减小。理论计算为这一现象提供了令人信服的解释。Pt单晶的平面表面区域由于其活化能低于边缘区域，因此更可能参与催化活性。因此，较小尺寸的PtNPs具有较高的边面比，导致催化活性较低。
尽管许多地球丰富的元素，如过渡金属氮化物、硫化物和磷化物已经证明了它们作为HER催化剂的潜力，但铂基材料仍然是最好的HER催化剂。然而不幸的是，它们的高成本和有限的可用性阻碍了广泛的应用。人们已经做出了各种努力，通过提高其利用效率来减轻这些缺点。
8、铱基催化剂
IrCON催化剂通过独特且高效的合成方法制备，其中IrNP嵌入并均匀分散在3D笼状有机网络中。IrCON催化剂在25mV下表现出0.66和0.20H2s-1的高TOF，在0.5maq中在10mAcm-2下表现出小得多的过电势13.6和13.5mV。
更重要的是，IrCON催化剂对HER表现出优异的耐久性。IrCON的极化曲线在10mAcm-2下负移5.5mV，而Pt/C催化剂在酸性条件下负移11.24mV。然而，在碱性条件下，IrCON和Pt/C催化剂在10mAcm-2下表现出过电势分别增加11和89.8mV。
IrNPs被调整为使用负电碳/氮基质暴露Ir晶面。氢吸附物Ir和IrNC的DOS分布表明IrNC的表面Ir位点具有更强的氢键。通过计算自由能验证了IrNC的HER性能。
碳载体上的杂原子是贵金属基电催化剂性能的重要组成部分，因为它们的电负性改变了金属的电子排列。IrNPs锚定在氮掺杂石墨烯片上。强Ir-N键的形成抑制了Ir团聚，固定了Ir团簇，并作为调节IrNG-750催化剂电子结构的理想基质。
DFT计算表明，与Ir-石墨烯位点和Ir-吡咯N位点相比，Ir-吡啶N位点显示出足够的氢吸附能，这表明Ir-吡啶N位点的形成增强了HER催化活性。
迄今为止，PGM元素由于其低过电势和快速动力学仍然是最有效的HER电催化剂。然而，它们的高成本和有限的供应阻碍了广泛的商业应用。基于地球丰富元素的电催化剂将是有前途的替代品。
然而，众所周知，非贵金属催化剂在强酸和强碱条件下容易受到腐蚀，并且在催化循环过程中容易聚集成较大的颗粒。
为了解决这个问题，许多研究集中在不含贵金属的氮掺杂碳纳米结构上，通过煅烧非贵金属基盐和富氮有机化合物的混合物并形成非均相HER电催化剂。
9、氮还原反应
固氮对于农业和现代工业中的肥料至关重要。尽管空气中含有78%的N2，但由于其惰性，将N2还原成氨是非常困难的。
哈伯-博世工艺是迄今为止最有效的N2固定方法。该过程在400-500°C和15-25MPa的苛刻反应条件下将N2和H2气体在铁基多相催化剂表面转化为NH3。
DFT计算表明各种过渡金属表面的NRR催化活性相对于环境条件下的施加电位。大多数NRR活性金属出现在–0.5至–1.0V范围内，并且NRR的动力学非常缓慢。
此外，NRR活性金属对HER具有较高的潜力，这意味着HER和NRR是相互竞争的。尽管电化学NRR的发展缓慢，但许多研究表明了非常有希望和令人鼓舞的发现。
例如，一些金基和钯基电催化剂表现出相对较好的产率和高法拉第效率。证明四六面体AuNPs能够有效地将N2还原成NH3。该催化剂对于NH3和N2H4·H2O的生产分别表现出1.648和0.102μgh-1cm-2的高催化活性。
报道了一种富含缺陷的铋催化剂，其中缺陷对NRR起着关键作用。富含缺陷的Bi(110)纳米板的NH3生产率为5.453μgmgBi-1h-1法拉第效率为11.68%，表明缺陷工程是高效NRR催化剂的良好策略。