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電催化是當(dāng)前的熱門研究方向。

電催化研究?jī)?nèi)容多樣，主要包括電解水中的析氫（HER）、析氧反應(yīng)（OER），燃料電池中重要的半反應(yīng)氧還原反應(yīng)（ORR）以及電催化二氧化碳還原反應(yīng)。

無(wú)論應(yīng)用的領(lǐng)域是哪種電催化反應(yīng)，催化劑均是核心，電催化研究的首要任務(wù)就是設(shè)計(jì)并制備出對(duì)特定反應(yīng)具有高活性、高選擇性和長(zhǎng)壽命的電催化劑。經(jīng)過多年發(fā)展，目前常用的電催化劑主要分為貴金屬、過渡金屬和非金屬催化劑。

一貴金屬電催化劑

貴金屬催化劑主要包括Pt、Ir、Pd、Ru和Rh等。Pt單質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能，Pt的氫吸附中間體的自由能基本上接近理想數(shù)值零，因此催化活性最高，工業(yè)電解水多以Pt/C為析氫催化劑，很多研究的HER催化劑也和Pt/C的性能進(jìn)行對(duì)比。IrO2和RuO2是商業(yè)應(yīng)用的OER催化劑，也是眾多研究中比對(duì)的基準(zhǔn)。

雖然貴金屬催化劑有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在應(yīng)用時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如價(jià)格昂貴，制備成本高。此外貴金屬容易聚集而失去活性，且聚集的顆粒不能暴露活性位點(diǎn)，導(dǎo)致催化活性和穩(wěn)定性降低。研究人員為了解決這些問題，目前主要通過減少貴金屬催化劑的負(fù)載量以降低催化劑成本，同時(shí)引入其它基質(zhì)，提高貴金屬催化劑的分散性。

二過渡金屬

過渡金屬催化劑包括過渡金屬氫氧化物、氧化物、硫化物、磷化物以及合金。鉬是一種用于NRR的過渡金屬，一些基于鉬的分子配合物已被開發(fā)用于電催化合成氨，如氧化鉬、氮化鉬、碳化鉬和硫化鉬都可用于NRR反應(yīng)，其中MoS2研究最為廣泛。

MoS2的邊緣是電催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)，可用于電催化NRR。此外，MXenes材料具有良好的機(jī)械性能和大的比表面積，其導(dǎo)電性和基面上豐富的活性位點(diǎn)在電催化發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。MXene材料已被證明可以用于電催化HER/OER/ORR反應(yīng)。

三非金屬催化劑

非金屬催化劑主要包括碳基催化劑以及一些硼基和磷基催化劑。通常，碳基催化劑具有多孔結(jié)構(gòu)和較大的表面積，有利于暴露更多的活性位點(diǎn)，并為質(zhì)子和電子的傳遞提供了豐富的通道。氧化石墨烯表面和邊緣的各類含氧官能團(tuán)以及一些缺陷，使其具有不同的電學(xué)性質(zhì)和催化活性，研究人員利用各類化學(xué)改性及化學(xué)成鍵的方式把其他有益的成分修飾在GO的表面官能團(tuán)上，制備出新型電催化劑。

研究人員以石墨炔為基底，進(jìn)行單個(gè)硼、氮原子摻雜后發(fā)現(xiàn)其可以將CO2還原為乙烯。少層黑磷納米片由于具有較多活性位點(diǎn)和較弱的HER，使其對(duì)NRR具有較好的活性和選擇性。

在以上3類電催化劑中，二維超薄納米片結(jié)構(gòu)材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛，高比表面積、大量暴露的活性位點(diǎn)、無(wú)堆疊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有天然的催化優(yōu)勢(shì)，以二維材料為基底的二維單原子催化劑也已經(jīng)成為電催化的研究熱點(diǎn)。