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ICM综述 | 韩国能源技术研究院Uk Sim教授团队：从机理认知到工业展望：2D材料辅助水电解制氢的“破局”之路

已有 774 次阅读 2026-7-1 18:00 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

传统水电解制氢效率在根本上受限于析氧反应（OER）缓慢的动力学过程及较高的过电位。辅助水电解作为一种极具前景的策略，通过以小分子有机物或含氮化合物（如尿素、氨、甲醇、乙醇、甘油和甲酸）的选择性氧化反应替代OER，从而有效克服这一限制。这些替代阳极反应具有显著更低的热力学氧化电位，因此能够在降低电解槽工作电压的同时实现高效产氢，并兼具污染物治理与高附加值化学品合成等协同效益。

由于具有独特的结构与电子性质，二维材料作为辅助水电解氧化反应的高效催化剂受到广泛关注。韩国能源技术研究院Uk Sim教授团队综述了近年来二维催化剂领域的研究进展，包括层状双氢氧化物（LDHs）、过渡金属二硫属化物（TMDs）、MXenes、金属烯（metallenes）以及石墨烯基材料，并重点阐述其在多种氧化反应中的作用机制。文章进一步讨论了掺杂、缺陷工程和界面调控等关键策略在提升催化活性、选择性及稳定性方面的重要作用。同时，引入热力学分析与Pourbaix图，以揭示不同电化学条件下底物与催化剂的反应路径及稳定区域。

通过将合理的催化剂设计与对多种氧化反应机制的深入理解相结合，基于二维催化剂的辅助水电解为实现可持续制氢提供了重要途径。其在提升能源利用效率与促进环境可持续发展方面的协同优势，使其有望成为应对当前能源与环境挑战的重要解决方案。未来，二维材料的发展及相关反应机制的深入研究预计将进一步推动新一代电解体系的发展，并助力实现全球碳中和目标。

图文摘要

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：2D catalysts for assisted water electrolysis: mechanistic insights and theoretical perspectives for industrial hydrogen generation。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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二维码.png

https://doi.org/10.1039/D5IM00116A

本文亮点

★ 系统综述了二维材料在辅助水电解中的最新研究进展与作用机制；

★ 阐明了掺杂、缺陷及界面调控对二维催化性能提升的关键作用；

★ 揭示了不同电化学条件下底物与催化剂的反应路径及稳定区域。

★ 提出该领域未来研究方向，以推动二维电催化剂在实际中的应用。

图文解读

Table of Contents

1. Introduction

引言

1.1 Importance of assisted water electrolysis

辅助水电解的重要性

1.2 Types of assisted water electrolysis

辅助水电解的类型

1.3 Types of 2D catalysts and their properties

二维催化剂的类型及其性质

2. 2D catalysts for urea oxidation

用于尿素氧化的二维催化剂

3. 2D catalysts for hydrazine oxidation

用于肼氧化的二维催化剂

4. 2D catalysts for alcohol oxidation (methanol & ethanol)

用于醇类氧化（甲醇和乙醇）的二维催化剂

5. 2D catalysts for other organic oxidation

用于其他有机物氧化的二维催化剂

6. Industrial implementation of assisted water electrolysis

辅助水电解的工业化应用

7. Summary and outlook

总结与展望

图1.png

图2.png

Table 1.png

总结与展望

辅助水电解不仅能够降低制氢过程中的能耗，还可实现高附加值化学品的协同生成以及环境污染物的去除，因此已成为极具前景的研究方向。目前，包括肼氧化反应（HzOR）、尿素氧化反应（UOR）、甲醇氧化反应（MOR）、乙醇氧化反应（EOR）、甘油氧化反应（GOR）和甲酸氧化反应（FAOR）在内的多种替代氧化反应，已与不同催化体系结合并得到广泛研究，以提升整体电解效率。

其中，LDHs、TMDs、MXenes、金属烯及石墨烯基材料等二维材料因其高比表面积、优异导电性及可调控催化活性而备受关注。本文系统总结了二维催化剂在多种辅助阳极反应中的最新研究进展。表2汇总了催化剂的重要电化学性能参数，包括Tafel斜率、在10、50及100 mA cm^-2电流密度下的电位以及长期稳定性等，这些指标对于评估催化性能具有重要意义。相比之下，图8展示了不同反应的电化学性能，其中HzOR表现出明显低于UOR、MOR和GOR的过电位，表明从能效角度来看，HzOR是一种极具优势的阳极替代反应。

上述研究结果表明，底物选择与二维催化剂设计在提升辅助电解体系能效与实用性方面具有关键作用。为推动二维电催化剂在实际辅助水电解中的应用，未来可从以下几个方向进行优化：1）高熵二维材料的开发；2）边缘位点掺杂策略研究；3）面向实际工况的催化性能评估；4）多组分复杂体系中的协同氧化。

编辑/排版：ICM编辑部

文章信息

H. Lim, S. Park, J. Choi, J. Shim, S. Surendran and U. Sim, 2D catalysts for assisted water electrolysis: mechanistic insights and theoretical perspectives for industrial hydrogen generation, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D5IM00116A.

作者简介

通讯作者

Uk Sim，现任韩国成均馆大学副教授。2016年博士毕业于韩国首尔大学。加入成均馆大学前，曾任韩国能源技术研究院（2022–2026）副教授、全南大学（2017–2022）副教授，并曾在三星电机担任高级研究员、美国斯坦福大学从事博士后研究。Uk Sim教授长期致力于能源生产、转化与储存领域纳米材料的研究，重点开发基于光电化学和电化学反应的可再生能源技术，为构建可持续能源体系提供创新解决方案。

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