研 究 背 景

当前全球城镇化与工业化进程持续推进，能源需求与环境污染的双重压力日益凸显。全球能源供给仍高度依赖石油、煤炭、天然气等化石燃料，占比约 80%，由此引发的碳排放与生态环境问题持续加剧。氢能作为高重量能量密度、零碳排放的清洁能源载体，是支撑全球能源转型的核心方向之一，预计到 2050 年全球氢能需求将大幅增长。但目前全球 96%~97% 的氢能来自化石能源制氢，碳排放强度高；电解水制氢作为绿氢的核心制备路径，受阳极析氧反应（OER）本征动力学缓慢的制约，存在能耗高、成本高的瓶颈，仅占全球氢产量的 2%~4%。针对这一产业痛点，双功能电催化技术应运而生，通过用废水中有机、无机污染物的电氧化反应替代阳极 OER，既可以大幅降低电解槽的工作电压、提升产氢能效，又能够同步降解水体中的污染物，实现环境治理与能源生产的双赢。然而实际废水组分复杂多样，存在污染物选择性氧化、催化剂中毒失活、传质受限、膜污染等诸多技术挑战，亟需从反应机理、催化剂设计到系统工程层面进行系统性梳理。全面系统地梳理了双功能电催化体系的基础原理、催化剂研究进展与工程化实践，为该技术的发展与落地提供了完整的参考框架。

成 果 介 绍

阿曼卡布斯苏丹大学Mohammed Al-Abri等人首先阐明了废水氧化辅助析氢反应的基本电化学原理，明确了以污染物阳极氧化替代 OER 降低槽电压的核心机制，规范了起始电位、电流密度、法拉第效率、塔菲尔斜率、转换频率等核心性能评价指标，阐释了电荷转移、传质过程与长期稳定性对体系性能的影响规律。

在此基础上，文章按照污染物底物类别，逐一系统梳理了尿素、肼、醇类（甲醇、乙醇、甘油）、醛类及生物质醛平台、氨、胺、碳水化合物七大体系的氧化反应机理与电催化剂研究进展。针对每一类底物，文章均从反应路径与决速步分析入手，深入阐释了镍基、钴基、铜基等非贵金属催化剂，以及贵金属修饰、过渡金属磷化物、硫族化合物、氮化物等多类催化剂的性能调控机制，涵盖合金化电子调控、杂原子掺杂、缺陷工程、纳米结构形貌优化、异质界面构建、载体工程等多维度设计策略，汇总了大量标杆催化剂的性能参数，验证了各类体系在降低产氢能耗、同步降解污染物方面的效果。

其中镍基催化剂凭借可调控的氧化还原特性与丰富的形貌调控空间，成为应用最广泛的非贵金属催化体系；而磷化物、硫族化合物等混合阴离子相，以及异质结、界面工程策略，则通过界面电荷重分布与双功能协同作用进一步突破了单一物相的性能上限。除了材料层面的研究，文章还专门系统探讨了双功能电催化的工程化挑战，涵盖反应器设计与放大、传质与气泡管理、欧姆损耗控制、长周期运行稳定性、产物分离等反应器工程问题，以及离子交换膜选择、膜污染机理与缓解策略、不同类型废水的适配方案等系统层面问题，填补了实验室研究到工业化应用之间的认知空白。文章最后结合技术现状，明确了双功能电催化在实际废水处理场景的应用潜力与技术经济性，指出了未来研发的核心方向。

该成果以“Dual-Function Electrocatalysis: Simultaneous Wastewater Remediation and Hydrogen Evolution—A Comprehensive Review”为题发表在Carbon Energy期刊上。

研 究 亮 点

1. 全底物体系化框架构建：首次系统覆盖七大类典型废水污染物的双功能电催化体系，从反应机理、催化剂设计到工程应用形成完整知识链条，突破了以往研究单一底物、单一材料的局限。

2. 多尺度调控机制深度解析：从原子级电子结构调控、晶相缺陷工程，到纳米级异质界面构建、宏观三维电极架构，逐层阐明催化剂性能提升的底层逻辑，形成了可复用的催化剂设计规则。

3. 工程化问题系统梳理：首次全面论述双功能电催化的工业化落地挑战，涵盖反应器放大、膜污染防控、实际废水适配性等核心工程问题，并给出针对性的缓解策略与选型建议。

4. 全维度性能数据支撑：整合了大量实验性能数据，覆盖产氢能耗、法拉第效率、污染物降解效率、长周期稳定性等核心指标，为技术评估与对比提供了全面的数据基准。

图 文 解 析

图 1 全球当前制氢方法及产氢占比示意图

​图 2 镍基催化剂上尿素氧化反应机理示意图

图 3 尿素氧化催化剂的结构设计、表征与性能对比图

图 4 硫族 / 磷化物异质结构催化剂的制备、结构与性能图

图 5 金属镍表面肼氧化反应路径示意图

图 6 肼氧化催化剂的合成路径、形貌表征与电化学性能图

图 7 镍基层状氢氧化物上甲醇氧化反应机理与自由能分布图

图 8 镍铜合金与硼化镍异质结催化剂的结构与甲醇氧化性能图

图 9 乙醇氧化催化剂的结构表征、电化学性能与反应机理图

图 10 碱性体系中甘油电氧化反应路径示意图

图 11 醛类氧化双功能电催化体系的催化剂表征与性能图

图 12 氨氧化反应路径与钨氧化物负载铂催化剂的性能图

图 13 胺氧化催化剂结构表征与葡萄糖氧化体系技术经济性分析图

研 究 小 结

本文全面综述了双功能电催化技术的研究进展与工程实践，系统阐释了以废水污染物氧化替代析氧反应实现低能耗产氢的核心原理，覆盖了多类典型废水底物的反应机理、催化剂设计策略与工程化应用挑战。该技术通过将环境治理与能源生产深度耦合，突破了传统电解水制氢的能耗瓶颈，同时为废水处理赋予了能源产出的高附加值，具备显著的技术经济性与应用潜力。当前双功能电催化已在实验室层面验证了多类底物的技术可行性，涌现出一批高性能非贵金属催化体系，但在实际复杂废水体系适配、长周期运行稳定性、系统放大集成等方面仍存在诸多挑战。未来随着原位工况表征技术、催化剂智能设计、反应器工程优化的进一步发展，双功能电催化有望在工业废水处理、分布式绿氢生产等场景实现规模化应用，助力能源转型与水环境治理的协同发展。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Dual-Function Electrocatalysis: Simultaneous Wastewater Remediation and Hydrogen Evolution—A Comprehensive Review

文章研究方向：

电催化

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70324

DOI: 10.1002/cey2.70324

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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