电解槽的结构和运行参数对碱性水电解的性能起着重要作用。针对工业碱性水电解槽紧凑的装配结构，特别是在电流密度大于5000 A·m^-2时，本文首次建立了耦合电场和欧拉-欧拉k-ε湍流流场的三维数值模型，以准确模拟碱性水电解槽的性能。将模拟结果与实验数据进行比较，验证了模型的准确性。通过电解槽内部电场和流场特性的反馈，确定了适合的浓度、流量的操作条件和流道结构的优化设计方法。适当增加电解液浓度和流速有利于降低槽电压。KOH水溶液的最佳浓度和流速分别为6.0 - 8.0 mol·L^-1和30.0 - 45.0 mL·min^-1。随着电极与隔膜距离的增加，欧姆过电压显著增加；流道高度和双极板上导流柱的排列方式对电压的影响微弱，但三角形排列的导流柱和流道高度的增加有利于提高流体的分布均匀度，适当增加导流柱之间的距离有利于降低槽电压。多流体出入口电解槽有利于产生更均匀的流体分布，流道高度对多出入口电解槽同样影响不大。宽导流柱间距的多流体出入口电解槽G-2.5-T-0-5-3，配合高流量，既能降低槽电压，又能提高电解质在电极面的法向流速，使电解槽发挥最佳性能。本工作对碱性水电解高效电解槽的放大设计和优化具有一定指导意义。

合理设计和合成非贵金属催化剂对提高氧还原反应的催化活性和稳定性具有重要意义，但仍然存在重大挑战。本工作采用功能化金属有机框架材料为前驱体，合成了氮掺杂多孔碳包覆Fe纳米粒子催化剂（Fe@N-C）。Fe纳米颗粒的嵌入提高了催化剂的石墨化程度和石墨化氮的比例，同时促进了中孔的形成。Fe@N-C-30催化剂在碱性溶液中表现出良好的氧还原反应活性（E₀ = 0.97 V vs. RHE，E_1/2 = 0.89 V vs. RHE）。此外，与商用Pt/C相比，Fe@N-C-30催化剂具有更好的耐甲醇性和循环稳定性。其优异的电催化活性归因于高的电化学表面积、相对高比例的石墨化氮、独特的孔结构以及包覆的Fe颗粒与碳层之间的协同效应。本工作为利用金属有机框架材料制备高效非贵金属ORR催化剂提供了一种有前景的方法。

开发高活性的大电流密度非贵金属双功能催化剂对于电解水制氢的发展意义重大。本文通过水热法和高温退火处理制备了自生长在泡沫镍上的CeO₂电子调控的FeNi双金属复合物多孔纳米片(NiFe₂O₄-Fe₂₄N₁₀-CeO₂/NF)。电化学测试结果表明,NiFe₂O₄:-Fe₂₄N₁₀-CeO₂/NF 在1.0 mol·L^-1KOH电解液中具有出色的析氧和析氢反应（OER和HER)活性，在±1000 mA cm^-2电流密度下所需的过电位分别为352 mV和429 mV。将其组装成电解水（OWS）两电极体系，只需1.81V的电池电压就能达到100 mA ·cm^-2的电流密度。对于OER、HER和OWS，可以在+500 mA cm^-2的电流密度下稳定运行30小时，其优异的大电流密度催化性能可以归功于CeO₂对于FeNi复合物的电子结构调控增强了催化剂的本征活性和反应中间体的吸附。原位生长在泡沫镍(NF)上的多孔纳米片可以增强活性位点与电解质的接触，并利于气体产物的释放，从而提高其化学稳定性和机械稳定性。本工作为制备双功能非贵金属电解水催化剂提供了一种新思路。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种强耦合、复杂非线性、动态的、多输入多输出的能量转换装置，不容易达到或保持理想的工作状态。在动态的PEMFC的工作状态下，其输出的电流和电压是振动的、不稳定的，会对负载的使用和寿命造成很大的影响，严重时亦可损坏负载。该波动的电流或电压输出不仅直接决定着发电系统的成本，而且影响着有效的能量转换效率及电子原件和设备的寿命。基于此，本工作针对燃料电池动态特性及动态排水空间受限导致其电流不规则波动，进而影响输出电能品质和燃料电池系统及其他电子元件的寿命和维护成本等问题。开发了一种外延生长的方法制备排水空间可调控的抗溺水电极，通过调控载体的成核位点密度，形成一种具有不同排水空间的类超晶体结构微米级铂基催化剂。该催化剂制备的电极不仅表现出极佳的抗溺水性，在极低的电流振幅（25 mA·cm^-2）下持续稳定的输出高品质电能，同时提高了铂的利用率，使其组成的MEA比功率密度达到11.69 W·mg_Pt^-1，表现出极高的应用潜力。

由太阳能、风能和海洋等可再生能源驱动的工业级水分解产氢为能源和环境的可持续性发展开辟了一条极具潜力的道路。然而,在工业上最先进电解技术使用高纯水作为氢源,这将带来严重的淡水资源危机。海水分解为饮用水短缺提供了一条切实可行的解决途径,但仍面临规模工业化生产的巨大挑战。在这里,我们总结了海水分解的最新进展,包括反应机制、电极设计标准和直接海水分解的工业电解槽。深入讨论了应对海水电解中的关键挑战,如活性位点、反应选择性、耐腐蚀性和传质能力等的解决方案。此外,该文章重点总结了海水电解设备的最新发展,并提出了设计长寿命直接海水电解装置的有效策略。最后,我们对直接海水电解的未来机遇和挑战提出了自己的观点。

相工程被认为是调节催化剂电子结构和催化活性的有效方法。非晶材料的无序构型允许表面电子结构的灵活重整,显示出其作为析氢反应(HER)催化剂的吸引力。在此,我们设计并开发了一种具有无序Ru-O构型的非晶催化剂(a-RuO₂)。结合先进的电镜技术和详细的电化学测试,建立了Ru-O有序性与HER性能的构效关系。具体来说,无序的Ru-O配位显著增强了酸性和碱性 HER 中的催化活性,最终使经济性更高的a-RuO₂催化性能接近商业Pt/C。此外,在10 mA·cm^-2下进行10 h电流-时间(i-t)测试后,a-RuO₂表现出极好的稳定性。进一步的理论模拟显示a-RuO₂较低的d带中心和优化的电子输运调制了活性位点对中间反应物的吸附强度,促进了HER动力学。这项工作为通过相工程探索高活性HER催化剂提供了新的观点。

高活性和耐用性的甲醇氧化电催化剂对于直接甲醇燃料电池的商业可行性至关重要，然而，目前的甲醇氧化电催化剂与预期相去甚远，存在贵金属用量过多、活性平庸、衰减快等问题。在这里，我们报告了锚定在镍铁层状金属氢氧化物（NiFe-LDHs）表面Pt纳米颗粒复合材料，用于在碱性介质中稳定电催化甲醇氧化。基于Pt纳米颗粒的高固有甲醇氧化活性，与商业Pt/C催化剂相比，基底材料NiFe-LDHs在200,000 s循环测试后进一步增强了Pt的抗中毒能力和稳定性。NiFe-LDHs层板上单原子分散的Fe作为锚定位点将Pt纳米颗粒均匀分散在其表面，进一步充分利用了层状金属氢氧化物表面丰富的OH基团，促进邻近Pt位点上毒化中间体的氧化去除。这项工作突出了NiFe-LDH在提高甲醇氧化反应整体效率方面的特殊性，为其他甲醇氧化电催化的设计和应用提供了指导。

近年来，固体氧化物电解池（SOEC）作为一种高效的电化学能量转换装置，由于其大电流密度、高法拉第效率和高能量效率受到广泛的关注。阳极析氧反应（OER）是SOEC中重要的电极反应，涉及四电子转移过程，反应动力学缓慢，在电解过程中阳极极化电阻较大且能耗高。因此，设计高效稳定的阳极材料对提高SOEC性能及推动SOEC实际应用至关重要。近年来，高性能阳极研究取得了一系列进展。在本综述中，重点介绍了CO₂和H₂O电解的反应机理，总结了不同类型阳极材料的物理化学和电化学性能，讨论了各种有效的阳极优化策略。此外，还对SOEC的未来研究进行了展望。这对阳极材料的发展和SOEC的实际应用有一定的指导意义。

金属纳米材料在电催化应用中展示出良好的性能，但是它们依旧面临着稳定性差和调控策略有限的问题。引入第二组分是一种有效的策略，能够很好的改善其催化活性与稳定性。在这篇综述中，我们概述了结合金属纳米材料和瓜环（CB[n]）用于电催化应用。瓜环是一系列的具有刚性结构、高稳定性、与金属配位的官能团的大环，它们适合稳定金属纳米材料并对其进行调控。本文讨论按照瓜环的功能分类，包含瓜环作为保护剂、瓜环基的超分子自组装体以及瓜环作为前驱体制备氮掺杂多孔碳。多种金属纳米催化剂，包括金属纳米颗粒（Pt，Ir，Pd，Ru，Au）、金属单原子（Fe，Co，Ni）以及过渡金属碳化物（TMCs）成功与瓜环或瓜环衍生的碳材料复合，这些复合材料在许多电催化反应中展示出优异的性能和稳定性，反应包括了氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）、甲烷氧化反应（MOR）、乙醇氧化反应（EOR）。其中，一些金属-瓜环复合物可进一步作为双功能催化剂用于全水解和燃料电池中。瓜环基的纳米催化剂具有媲美商用催化剂的性能，其稳定性甚至可优于商用催化剂。实验分析以及密度泛函理论（DFT）计算均证明，该提升得益于瓜环和金属纳米晶之间的相互作用以及瓜环自身的稳定性。最后，我们讨论了瓜环基电催化剂的挑战与机遇。本综述提供了通过瓜环构筑具有优异性能的金属纳米材料，并期待该策略将有助于开发高效催化剂并用于更多的电化学应用中。

耦合可再生电能的电解水制氢是一项极具前景的绿氢技术，该技术仍受限于阳极析氧反应（OER）动力学慢、过电位高等问题的限制。在阳极端采用热力学更容易的电氧化反应代替OER，可大幅降低电耗并且在阳极端获得增值产物，是电解制氢的一种新策略。甘油作为生物柴油生产的主要副产品且产能过剩，其电催化氧化（GOR）理论电位比OER低。基于此，本研究工作报道了一种耦合酸性析氢反应（HER）与碱性GOR的混合酸/碱双电解液的制氢电解器，其以泡沫镍（NF）支撑Co₃O₄纳米片（NS）电极（Co₃O₄·NSs/NF）为阳极，商用碳载铂修饰碳布电极为阴极。在阳极端，Co₃O₄·NSs/NF对GOR电催化表现出较低的过电位和转化为甲酸盐的高选择性。在该混合酸/碱双电解液电解槽中，仅仅需要额外施加0.55 V的外加电压，即可达到10 mA·cm^-2的产氢电解电流密度，并可以在阳极将甘油高选择性地转化为甲酸盐，其中产氢的法拉第效率接近100%。本研究工作为电解制氢提供了一条节电、阳极增值转化的技术路线。

氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、 增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。

在全球能源结构“清洁化”转型的背景下,可再生能源的开发与利用能够有效解决能源危机与环境问题,符合我国的可持续发展路线。能源转换与储存技术贯穿着循环能源技术的各个环节,是新型能源框架的核心支撑。 水氧化反应是众多能源体系（例如, 水裂解反应、 二氧化碳还原反应、 氮还原反应和金属-空气电池）的重要半反应, 但其动力学缓慢, 严重限制了设备的能源效率, 阻碍了相应技术的广泛应用。因此, 亟需开发具有低成本、 高活性、 强稳定性的水氧化电催化剂以降低反应能垒,进而推动能源转换与存储设备的工业化发展。钙钛矿型材料的晶体结构包容性强, 元素组成涵盖广泛, 具有丰富而独特的电子特性, 易于实现表面化学与电子结构的精准调控, 因此被公认为理想的催化材料设计平台。本文综述了钙钛矿型水氧化电催化剂的最新研究进展。首先介绍了钙钛矿型材料的晶体结构和电子特性,归纳了制备钙钛矿型氧化物的代表性的合成策略。通过讨论近期钙钛矿型水氧化电催化剂在酸性和碱性介质中的研究进展, 强调了钙钛矿型电催化剂结构与催化性能间的构效关系。 最后, 我们总结了钙钛矿型水氧化电催化剂在实际应用中面临的挑战与机遇, 提出了相应的建议与解决方案, 期望能使读者更清晰地认识到该领域的未来发展方向。

过渡金属磷化物(TMP)是一种用于碱性条件下析氢反应(HER)的有效催化剂, 然而其活性严重受限于水解离步。本文通过在泡沫铜(CF)上生长Cu(OH)₂纳米阵列, RuCl₃溶液浸泡和磷酸化, 制备了一种具有较大比表面积和适当Ru掺杂的Ru-Cu₃P自支撑催化剂(Ru-Cu₃P/CF)。作为一种优良的HER催化剂,在电流密度为10 mA·cm^-2时, 其过电位为95.6 mV, 比Cu₃P/CF降低149.4 mV。其决速步由Volmer向Heyrovsky机制过渡。HER性能的提高可以归因于Ru掺杂磷化铜促进水解离过程,以及Cu(OH)₂纳米阵列衍生Cu₃P纳米结构具有更高的电化学活性面积, 从而保证了更多的活性位点。本论文突出了具有空的d轨道的金属掺杂促进水解离的重要性,为高性能电解水析氢催化剂的设计提供了新思路。

电解水是有效的产氢方式之一, 开发具有高催化活性的电极材料是当前电解水的研究热点,但仍面临诸多挑战。 本研究报告了一种通过焦耳热技术快速制备多金属异质结构, 并将其用作电解水的双功能电催化剂, 展现出优异的电解水催化活性。通过焦耳热处理三种金属前驱涂覆的碳布, Mo₂C和CoO/Fe₃O₄异质结构形成。当其用作析氢（HER）和析氧（OER）的双功能催化剂时, 仅需121 mV和268 mV的过电位,可以实现10 mA·cm^-2的电流密度。当用于两电极电解水时, MoC/FeO/CoO/CC作为阳极和阴极催化剂表现出优异的电催化性能和长期稳定性, 仅需1.69 V即可实现10 mA·cm^-2的电流密度, 并且展现出25小时的稳定性。本研究通过简单、 快速的焦耳热技术实现了双金属/多金属异质结构的构筑,并应用于高效水电解,为合理设计多金属异质结构提供指导。

开发高性能、 低成本的氧析出反应（OER）电催化剂是促进质子交换膜水电解（PEMWE）制氢规模化应用的关键。迄今为止, OER催化剂的最佳选项仍为贵金属铱(Ir), 但其仍存在活性不足和储量稀缺的问题, 进而增加了材料成本和电力成本。因此, 开发低Ir载量、 高活性和稳定性间距, 且能够满足PEMWE设备中大电流密度和长期运行要求的OER催化剂是十分必要的。这些目标的实现需要深入理解酸性OER机制、明晰材料设计方法, 并建立可靠的性能评估指标（特别是对耐久性的评估）。综上,本文首先系统总结了目前被广泛接受的酸性OER活性表达机制（即吸附析出机制、 晶格氧氧化机制和多活性中心机制）和失活机制（即活性物种溶解、晶相和形态演化、 催化剂脱落和活性位点阻塞）, 为催化剂的微观结构设计提供指导。其次, 我们讨论了最近报道的几类低铱OER催化剂, 包括多金属合金氧化物、 负载型催化剂、具有特殊空间结构的催化剂和单位点催化剂, 并重点描述低Ir催化剂中的性能如何得以调控以及其中潜在的构效关系。随后, 我们介绍了常用的催化剂稳定性评价指标、 催化剂失活表征技术以及模拟PEMWE实际操作条件的催化剂寿命测试方法,希望为催化剂筛选提供依据。最后, 针对未来可用于PEMWE体系的低铱OER催化剂的探索提出了一些可行建议。

与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。

低共熔溶剂（DESs）是一种用于可控合成金属纳米结构的溶剂。在氯化胆碱-尿素DESs中，使用抗坏血酸作为还原剂可以制备由交错的纳米片和纳米球组成的花状Pd纳米颗粒，并且其自发地转化为三维网络纳米结构。此纳米网状结构的形成机制也有系统的研究，其中，DESs作为溶剂和软模板用于形成3D花状钯网络纳米结构（Pd-FNNs），CTAB和NaOH的用量在Pd-FNNs的各向异性生长和生成中起着至关重要的作用。Pd较低的电催化性能是阻碍燃料电池商业化应用的主要挑战之一。然而，具有较低表面能和丰富晶界的3D Pd-FNNs对甲酸氧化反应表现出增强的电催化活性和稳定性，其质量活性和本征活性分别是商业Pd黑催化剂的2.7和1.4倍。因此，此策略为合成独特的Pd基纳米结构提供了一种可行的路径。

本文采用CCM法（catalyst coated membrane）技术，结合单电池极化曲线、电化学阻抗谱、极限电流法和表面接触角等多种表征技术，系统研究了直接聚四氟乙烯（PTFE）分子添加以及PTFE修饰的疏水性碳（PTFE@XC72）等不同疏水化方法对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极催化层电化学性能、氧气传输阻抗和质子传输阻抗的影响。在此基础上，通过构建PTFE梯度化疏水性结构来进一步优化PEMFC的性能。结果表明，与添加PTFE@XC72相比，直接添加适量的PTFE分子对膜电极（MEA）性能提升效果更为显著，这主要与该疏水结构可在维持高速质子传导的同时，极大降低催化层的氧气传输阻抗有关。当直接添加的PTFE与催化层中碳载体的质量比为0.1时，MEA呈现最好的性能。在添加PTFE@XC72的MEA中，由于额外的碳颗粒导致催化层厚度增加，延长了反应物质的传输路径，从而使得质子传输阻抗和氧气传输阻抗均上升。在此基础上，通过在催化层不同位置直接添加PTFE构建梯度化疏水性结构。结果表明，当适量PTFE靠近催化层与气体扩散层界面分布时，MEA呈现最好的性能，峰值功率密度比未经疏水性处理的膜电极高接近20%，氧气传输阻抗大幅降低。

双功能氧催化剂的催化活性及稳定性是决定一体式可再生燃料电池能否高效运作的关键因素之一。得益于分别对于氧还原及氧析出反应特定中间产物适当的结合能，铂与铱、钌及其氧化物所制成的贵金属催化剂，常被应用于一体式可再生燃料电池中作为双功能氧催化剂。同时，近年来对于非铂族双功能氧催化剂的研究也取得了较大进展。本篇综述从一体式可再生燃料电池中氧还原及氧析出反应的作用机理出发，首先着重对传统铂基双功能催化剂的构效关系进行了总结，其次介绍了钙钛矿型、尖晶石型氧化物、非金属等新型双功能氧催化剂的发展趋势。此外，本文对于该研究领域所存在的限制条件和发展路线也进行了总结与展望。

由于巨大的潜在市场，乙烯的电化学氧化受到愈来愈多的关注。目前，主流的电化学氧化法仍以依赖于氧化还原媒介的介导氧化法为主，而这些媒介的使用在电解过程中产生大量的腐蚀性中间体，使其实际应用受到阻碍。直接电氧化法可有效规避此问题，但又受到低活性和低选择性的限制。在本工作中，我们针对目前最先进的钯催化直接氧化体系，在中性条件下开展了一系列电化学研究，以对该过程的机理获取更深入的认识。在氮气和乙烯氛围下，钯电极的循环伏安谱图有显著区别。我们发现电解过程中生成的Pd(II)物种在乙烯氛围下可绕过原本的电化学还原路径，通过一个化学步还原为Pd(0)，因此可能是乙烯氧化的活性位点。Pd(II)物种所对应的还原峰也因此可作为乙烯吸附的数量的指标。通过电化学脉冲序列的设计，我们在钯催化剂上识别了两种具有不同吸附强度的乙烯，其强、弱吸附模式所对应的电荷转移比例约为0.3:1。弱吸附的乙烯在钯电极表面表现出可逆的吸脱附行为，而具有强吸附模式的乙烯无法通过物理过程脱附，可能指向到乙烯深度氧化过程。这项工作为进一步设计高性能乙烯直接电氧化催化剂提供了设计思路和方向。

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓，需要消耗大量的贵金属催化剂，这限制了其商业化应用。目前原子级分散的M-N-C（M = Fe, Co, Mn等）催化剂受到人们青睐，有望替代铂催化剂。在过去的几十年里，M-N-C催化剂取得了很大的进步，具有优异的ORR活性，而且燃料电池初始性能有希望接近传统的Pt/C催化剂。然而，这些高活性的Fe-N-C催化剂在燃料电池实际工作条件下的稳定性比较差。在这篇综述中，我们总结了在高效氧还原M-N-C催化剂方面的最近进展，主要概述了我们在限域策略和自旋调控方面的贡献。此外，我们还总结了几种提高活性的有效方法。我们还总结了近期的关于揭示M-N-C催化剂的降解机制的认识，如金属浸出、碳腐蚀、质子化和微孔淹没都会造成催化剂降解。为了改善M-N-C催化剂的寿命，我们概括了文献中的缓解策略，包括控制催化剂中S1/S2位点、使用非铁基催化剂、增强金属氮键、改善碳载体的耐腐蚀性和使用质子缓冲液等。最后，我们提出了目前原子级分散的M-N-C催化剂存在的挑战和可能的解决方案。

开发高效耐用的电极对碱性阴离子交换膜电解水（AEMWEs）制氢至关重要。在这项研究中,我们展示了一种高效且稳定的自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO₃/NF纳米棒阵列电极分别用于析氧反应（OER）和AEMWE的阳极。在这项工作中,我们将2D的镍铁层状双金属氢氧化物纳米片（NiFe LDHs）原位生长在1D的碱式碳酸钴纳米线上（Co-OH-CO₃/NF）,最终得到独特的纳米棒阵列复合结构电极。在三电极体系中,自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO₃/NF对OER具有良好的催化活性, 在1 mol·L^-1 KOH中, 当电流密度为20 mA·cm^-2时,过电位为215 mV。当自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO₃/NF作为AEMWE的阳极（70 ^oC,1 mol·L^-1 KOH）,在电流密度为0.5 A·cm^-2时, 电解电压为1.72 V,并且具有较好的稳定性。进一步的实验表征结果显示了自支撑NiFe LDHs@Co-OH-CO₃/NF的优异性能是其具有特殊的形貌结构。这是由于纳米棒阵列电极的三维分层结构可以有效防止纳米片团聚, 从而有利于电子转移,为水分解提供大量的边缘活性位点。

非质子锂-氧气电池具有高理论能量密度，在过去几年里受到了广泛关注。然而，动力学缓慢的氧还原反应（ORR）/氧析出反应（OER）和放电产物Li₂O₂导电性差导致锂-氧气电池过电位大，放电容量有限，循环寿命短。开发有效的锂-氧气电池正极催化剂可以调控放电与充电过程中Li₂O₂的形成和可逆分解，减小放电/充电极化。尽管提升ORR/OER动力学的正极催化剂已经取得了一系列重要进展，但是对正极在放电和充电中Li₂O₂生成和分解过程的理解依然是不足的。这篇综述聚焦于锂-氧气电池正极催化剂的最新进展，总结了催化剂与Li₂O₂生成/分解的作用关系，本文首先指出了锂-氧气电池正极面临的科学问题，包括动力学缓慢的ORR/OER过程和导电性差的反应产物Li₂O₂钝化电极，并提出了锂-氧气电池正极设计准则。通过对最近报道的正极催化剂进行分类讨论，明晰调控催化剂活性位点策略，理解在正极反应过程中不同催化剂的活性位点对反应中间产物的吸附状态，以及对Li₂O₂生成和分解的作用机制，评估了不同类型正极催化剂在锂-氧气电池的潜在应用。最后总结了锂-氧气电池正极催化剂依然存在的挑战，例如阐明正极催化剂活性位点与附着的Li₂O₂界面在充放电过程中的变化，并揭示了设计高效正极催化剂的决定因素，展望了通过光/磁协助、负极保护以及电解液设计等策略，进一步推动锂-氧气电池的应用。

研究影响电催化氧还原反应活性的因素对于合理设计高效的氧还原反应催化剂至关重要。调节催化剂电子结构通常被用于精确调控电催化氧还原反应活性。然而, 该反应发生在液/气/固界面, 很少有报道调控分子催化剂的亲疏水性来提高其催化活性。在此, 我们报道了两种钴卟啉NO₂-CoP（5,10,15,20-四（4-硝基苯基）钴卟啉）和5F-CoP（5,10,15,20-四（五氟苯基）钴卟啉）并研究了其电催化氧还原反应性能。通过同时调控meso-位取代基的电子结构和亲水性能, NO₂-CoP显示出比5F-CoP更高的电催化氧还原反应活性, 其半波电位向阳极方向移动近60 mV。NO₂-CoP比5F-CoP具有更好的亲水性。理论计算表明, NO₂-CoP比5F-CoP更容易有效地与O₂分子结合形成Co^III-O₂^·-。这项工作提供了一个简单而有效的策略, 通过使用吸电子和亲水取代基来提高钴卟啉的氧还原反应活性。该策略对于设计和开发其他用于电催化的分子催化剂体系也具有重要的启发意义。

固体氧化物电解池是一种新型能源转换技术，能实现间歇式能源到氢能的高效转化，为能源的有效利用提供了新途径。本文针对固体氧化物电解池金属镍基阴极支撑体在电解过程中的局部氧化以及由此引发的电池结构稳定性问题，提出了一种多孔氧化钇稳定的二氧化锆（YSZ）支撑型管式固体氧化物电解池，其构型为多孔YSZ支撑体/Ni-YSZ燃料极电流收集层/Ni-YSZ燃料极电化学催化层/YSZ/Ce_0.8Sm_0.2O_1.9双层电解质层以及La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ空气电极，研究了造孔剂（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）的含量对多孔YSZ支撑体的孔隙率、孔径分布和支撑体机械强度的影响，考察了电解池在H₂O-H₂气氛中的电化学电解性能。研究结果表明，当PMMA含量为25wt.%时，电解池具有最优的综合力学性能和电解催化活性，在750 °C的工作温度下，电解池的产氢气速率为3 mL·min^-1·cm^-2，电解池在10次升降温热循环过程中电解性能衰减为~5%，表现出优良的电解稳定性。本研究结果验证了多孔YSZ支撑型管式电解池的应用可行性。

析氧反应（OER）是水分解中重要的半反应, 为提高其催化性能,开发高效非贵金属催化剂已成为当前的研究重点。铁镍（FeNi）基材料被认为是最好的预催化剂, 在催化过程中,它们的表面将转变成高价态金属氧化物或氢氧化物作为真正的活性物质。FeNi基预催化剂的结构和形貌在很大程度上影响了其催化性能, 因此, 优化和调整FeNi基预催化剂的结构和化学环境可以提高电催化性能。基于我们的研究工作, 我们撰写了FeNi基预催化剂的表面结构调控促进电化学析氧反应的研究进展。我们首先介绍了碱性OER的反应机理, 然后从杂原子掺杂、表面成分改性、选择性结构转变、表面化学状态调节、异质结构构建和载体效应等方面讨论了FeNi基预催化剂表面调控对析氧反应性能的影响。尽管在OER反应中FeNi都被认为转变成高价态的金属活性物质, Fe/Ni体系的表面结构、形貌和化学状态仍然能够显著影响其最终的催化性能, 即FeNi基预催化剂的性质会影响析氧反应的催化性能。通过精细设计并尽量提高Fe和Ni的协同作用将有利用提升氧析出的催化性能。我们希望本综述能够对FeNi基预催化剂的制备和表界面性质调控与电催化析氧反应性能的理解有所帮助。

可再生能源驱动电催化水分解产氢气在现代氢能及氢燃料电池可持续发展方面，有着极其重要的地位。其中，性能优良催化剂的设计与开发又是重中之重。本文重点发展了一种磷掺杂的铂-钌合催化剂(Ru-P)#Pt/C），TEM分析确认Ru金属纳米粒子的球形形态，XRD表征Ru纳米粒子以六方密堆积形式存在。XPS分析进一步说明了Ru以金属态存在，Pt的原子比在14.5%左右，且以轻微氧化的状态存在，表明其可能与P成键。(Ru-P)@Pt合金催化剂在碱性电解液中表现出优异的电解水析氢性能，在10 mA·cm^-2的电流密度下的过电位仅为17 mV vs. RHE，Tafel斜率值为27 mV·dec^-1，表明该催化剂析氢决速步为Tafel步骤。而同等条件下，仅P掺杂的Ru催化剂及Pt负载的P掺杂的CNT，其性能均远逊于该目标催化剂，表明了P与Pt共掺杂的协同作用。(Ru-P)#Pt/C合金催化剂经过24 h耐久性测试，其10 mA·cm^-2的过电位及稳定性测试后LSV电流仅出现轻微衰退。这表明P掺杂的Ru-Pt合金催化剂中Ru、Pt、P活性位点间的协同作用，显著提高了电催化析氢活性与稳定性，为高性能碱性电解水析氢催化剂的设计打开了广阔的前景。

电化学还原硝酸盐过程关键在于该废水处理过程中参数的有效控制。基于硝态氮电化学还原的测试数据和各参数间的相关性，得出与出水效果密切相关的四因素，即反应时间、初始浓度、初始pH和电流密度，采用BP神经网络算法建立了电化学法还原硝态氮的预测模型，并验证了模型的准确性。结果表明，4-7-1型BP神经网络网络构型最优，模型预测的去除效果与实测值相吻合，R²为0.9095。利用BP神经网络模型对参数调控，可以优化电化学处理过程：对电流密度进行阶段性调控，在相同处理量下可降低15%的能耗；在水质波动情况下进行电流密度控制，在相同处理时间内可保证出水达标。该研究结果可以为智能控制电化学去除硝态氮的过程提供参考。

燃料电池作为一种电化学能量转换系统,具有能量转换效率高、清洁度高等优点。氧还原反应（ORR）是燃料电池中重要的阴极反应。目前,电催化剂仍是制约燃料电池进一步商业化的关键材料之一。ORR反应催化机理的研究对于开发具有良好活性和高选择性的电催化剂具有重要价值。近年来人们通过各种先进的原位表征方法深入研究了ORR催化剂的机理和催化过程。本综述旨在总结用于原位表征技术应用于研究 ORR 反应机制的最新研究进展。我们首先简要介绍各种原位技术在ORR研究中的优势,包括电化学扫描隧道技术、 红外光谱、 拉曼光谱、 X射线吸收光谱、 X射线衍和透射电子显微镜等。然后,从催化剂的角度,总结了各种原位表征技术在催化剂形貌和电子结构演变以及催化过程中反应物和中间体的识别中的应用。最后,展望讨论了该领域原位技术的未来发展。

催化剂的活性与其结构紧密相关,研究催化剂的构效关系以及可控合成高效电催化剂, 并探究其催化机制, 一直是科学研究的核心。贵金属铂是优异的电解水析氢的催化剂, 同时也是直接醇燃料电池阳极氧化的良好催化剂,而贵金属钌是优异的电解水析氧催化剂。这些与燃料电池及氢能相关的重要反应催化剂,可通过合成Pt、Au及Ru的合金催化剂, 通过应力效应、电子效应及团簇效应, 可有效提高金属催化剂的活性, 并实现多功能电催化性能。本文报道了可控合成低结晶度的AuPt-Ru合金异质结,并通过元素扫描分析及X射线衍射分析确认其结构。该催化剂表现出了非常优异的电催化氧化乙醇活性, 其归一化到Pt的质量活性达到了为21.4 A·mg^-1_Pt, 远远高于对照组样品AuPt及RuAuPt混合相催化剂及文献报道样品。催化剂同样表现出了非常好的乙醇氧化稳定性, 但是其活性的衰减与其Ru组分的流失紧密相关。我们同时通过电化学原位红外光谱,研究了该催化剂乙醇氧化中间产物, 分析了其反应机理。该催化剂同样表现出了优异的碱性电解水析氢及析氧催化活性,其析氢电流10 mA·cm^-2对应的过电位为30 mV, Tafel斜率为45 mV·dec^-1, 优于AuPt及RuPtAu对照组样品。该催化剂优异的电化学性能主要归结于其低结晶度和异质结及其伴随的应力效应及团簇效应。本报道提供了一种可控合成具有异质结结构的金属合金催化剂, 突出了其对实现多功能、 高性能合金电催化剂的重要性。