综述：关于通过双掺杂和三掺杂策略调节电催化水分解性能的研究进展

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Research progress on dual-doping and triple-doping strategies for modulating electrocatalytic water splitting performance

针对工业革命引发的能源与环境问题，氢能作为清洁替代能源，其电催化水分解技术需解决过电位高、效率低等问题。通过双掺杂和三掺杂策略优化催化剂，可有效降低过电位，提升能量利用效率。研究还探讨了多级孔结构和掺杂原子精确控制的重要性。

　　

Jingxiang Hu|Xiaoqing Mao|Chuanlang Zhan

内蒙古自治区教育厅先进材料化学与器件重点实验室（AMCD Lab），内蒙古师范大学化学与环境科学学院，呼和浩特市，010022，中国

摘要

为应对工业革命带来的能源危机和环境退化问题，迫切需要可持续、清洁和高效的能源解决方案。氢作为一种理想的清洁能源，其燃烧产物仅为水，且无污染、可再生，因此是化石燃料的理想替代品。通过电催化水分解技术可以实现零碳排放，这被认为是最清洁、最可持续的能源生产方式。然而，水电解过程较为复杂：氢气在阴极产生，氧气在阳极产生。这两种反应都存在较大的过电位，降低了电解效率，增加了能耗，严重阻碍了水电解制氢技术的快速发展。双掺杂和三掺杂策略可以优化催化剂性能，显著降低水分解过程中的过电位，提高整体电能利用效率。本文介绍了电催化水分解的原理，阐述了双掺杂和三掺杂对催化剂性能的影响，并讨论了多种掺杂方法，包括双金属掺杂、金属-非金属掺杂、双非金属掺杂和三元素掺杂。总结了水电解面临的挑战及相应的解决方案，并展望了该领域的研究前景。

引言

随着全球科学、技术和经济的持续进步，人类对能源的需求不断增加。过度开发和利用石油、煤炭等化石燃料引发了严重的环境问题，加剧了污染并恶化了全球能源危机[1]、[2]、[3]、[4]。在此背景下，发展可再生能源技术尤为重要。利用太阳能、风能和氢能等清洁能源不仅有助于减少温室气体排放，还能减轻对传统化石燃料的依赖[5]、[6]、[7]。因此，开发新的能源和材料是应对全球气候变化和实现人类社会可持续发展的紧迫任务。

在可再生能源中，氢作为一种理想的可再生和清洁能源，具有能量密度高、来源广泛、能源效率高、环境友好和可回收等优点，是化石燃料的理想替代品[8]、[9]、[10]。目前较为成熟的氢生产技术包括水气化、甲烷蒸汽重整和水电解。然而，前两种方法仍依赖化石燃料，会产生二氧化碳和氮氧化物等污染物，并且能耗较高、效率较低[11]、[12]、[13]。相比之下，水电解是一种绿色技术，它利用水分子直接将电能转化为化学能，实现高效制氢。这被认为是解决能源危机和实现碳中和目标的关键途径[14]、[15]。

水电解技术具有环境友好、适应性强、效率高和应用广泛等优点，被认为是理想的可持续氢生产技术，能够有效满足工业对高纯度、低成本和无污染生产的要求。因此，水电解技术具有重要的研究价值。电催化水分解过程可分为两个半反应：氢气在阴极产生，氧气在阳极产生[16]。由于电化学水分解过程的复杂性，会产生较大的过电位，从而降低电解效率并导致额外的电能损失[17]。通过双掺杂和三掺杂策略优化催化剂，可以显著降低水分解过程中的过电位，提高整体电能利用效率。

章节摘录

概述

水电解系统主要由电解池、电解质、阴极和阳极组成。如图1所示，当在电极之间施加特定电压时，电解质中的水分子吸收能量并发生分解。这导致阴极发生还原反应（氢气生成反应：HER）和阳极发生氧化反应（氧气生成反应：OER）[18]、[19]。尽管

通过双掺杂策略调节电催化水分解性能

双掺杂是指将两种不同的元素同时引入制备的催化剂材料中。基于原子间的电子相互作用，会产生协同效应，从而调节催化剂的电子结构、表面活性、电荷转移效率和稳定性，最终提升其氢气生成反应（HER）和氧气生成反应（OER）的性能。双掺杂策略分为三类：

通过三掺杂策略调节电催化水分解性能

通过结合不同类型的掺杂元素，三掺杂材料可以全面控制催化剂表面的电子结构，从而优化活性位点的性能，并进一步增强活性位点的协同效应。

Jiang等人采用MOF衍生的浸渍-碳化方法制备了Co、Ni、Mn共掺杂的富氮空心碳催化剂（Co, Ni, Mn-N-HC）。该催化剂具有多孔的蛋黄壳结构，Co的存在

分级多孔结构

由于其多层次孔道（微孔-介孔-大孔）的协同优势，分级多孔结构不仅可以降低大孔结构中的电解质扩散阻力，还能增加比表面积，通过介孔和微孔结构固定掺杂原子并暴露丰富的活性位点。在双掺杂和三掺杂催化剂中，分级多孔结构与杂原子掺杂之间的协同作用

掺杂原子的精确控制和均匀分布

准确控制掺杂原子的类型和比例，并在催化剂中实现其均匀分布，是双掺杂和三掺杂过程中的主要挑战。不同的合成方法对掺杂原子的引入和分布有显著影响。例如，传统的共沉淀方法难以准确控制原子比例，且容易导致掺杂原子聚集；虽然溶胶-凝胶方法可以改善

结论

双掺杂和三掺杂策略通过精确调节催化剂的电子结构、晶体结构和表面性质，在HER和OER催化剂领域展现出巨大的应用潜力，显著提高了它们的活性、稳定性和双功能催化性能（表5）。合理选择掺杂原子类型并优化掺杂比例和分布，能够实现多种元素的协同效应，为

CRediT作者贡献声明

Jingxiang Hu：撰写——原始稿件、验证、方法论、正式分析。Xiaoqing Mao：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法论、资金申请、概念构思。Chuanlang Zhan：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

Xiaoqing Mao感谢内蒙古自治区教育厅的“英才兴蒙”团队项目（项目编号2025TYL06）以及内蒙古师范大学（项目编号112/1004031962）的支持。