引言

随着碳排放量的增加，人们越来越渴望新的清洁能源，而氢能作为零碳能源的代表，其制备效率和成本直接决定产业的落地速度。电解水制氢是最具潜力的绿氢制备方式^[1][2]，但纯水电解反应的能垒高、能耗大，若仅依靠电能驱动，制氢效率低且成本居高不下。而通过引入电催化剂来降低反应所需的活化能，增加反应速率，则可大幅提升电解水制氢的效率、降低能耗，推动电解水制氢规模化应用。

随着电催化制氢技术的快速发展，相关研究成果不断涌现，但大众对这一技术的认知仍局限于“催化剂能让水电解更快”的浅层理解，对其催化原理、催化剂类型及实际应用价值缺乏系统认知。本文围绕电催化制氢技术展开全面科普，拆解核心原理、分类介绍催化剂、分析应用与挑战，助力读者理解这一关键氢能技术。

1电催化制氢的基本原理

电催化制氢本质上是在电解水制氢系统（如图1.）中引入电催化剂，通过催化剂表面的活性位点与水分子/反应中间体发生相互作用，降低水分子分解及氢气析出的反应能垒，从而减少电解过程的电能消耗。

从反应机制来看，电解水制氢包含两个核心步骤：一是水分子在阳极分解为氧气、氢离子（H⁺）和电子；二是氢离子在阴极得到电子还原为氢气（析氢反应，HER）。其中析氢反应是决定制氢效率的关键步骤，纯金属电极上的析氢反应需要较高的过电位，而电催化剂可通过以下方式降低过电位：催化剂表面的活性位点会与氢离子结合形成吸附中间体，弱化氢离子之间的成键作用，让氢离子更容易结合生成氢气，从而减少反应所需的电能输入。

简单来说，催化剂就像电解水制氢反应的“加速器”：没有催化剂时，水电解需要高电压、高能耗“推动力”才能完成；而加入催化剂后，反应的“阻力”变小，只需较少的电能就能实现高效制氢。衡量电催化制氢性能的核心指标一般包括：过电位，其大小越低性能越好；塔菲尔斜率：反映了反应速率，越小说明越快；稳定性：反映了催化剂的使用寿命，这些指标直接决定电催化制氢技术的实际应用价值。

图1电解槽示意图

2电催化制氢的核心：电催化剂类型

催化剂是电催化制氢技术的核心，性能直接决定制氢效率和成本。目前主流电催化剂可分为贵金属基、非贵金属基和碳基三大类，各类催化剂在性能、成本、稳定性上各有优劣。

2.1贵金属基电催化剂

贵金属^[11]基电催化剂是电催化制氢领域发展最早、综合性能最为优异的催化剂类别，其核心代表为铂（Pt）单质及铂基合金材料（如Pt/C复合催化剂、PtRu二元合金等）。

这类催化剂在析氢反应（HER）中展现出极低的过电位与较小的塔菲尔斜率，不仅催化活性强劲，长期运行稳定性也处于行业顶尖水平，因此被广泛视为电催化制氢领域的“标杆性催化剂”^[5]。然而，铂基催化剂的应用局限性同样显著：一方面，铂在地壳中的丰度极低，稀缺性导致其价格居高不下，若大规模应用于制氢产业，将大幅推高绿氢制备的综合成本；另一方面，在复杂电解液环境中，铂基催化剂易发生活性组分团聚、金属原子溶解等现象，导致催化性能随运行时间逐渐衰减^[8]。基于上述短板，铂基催化剂目前主要适用于实验室高精度制氢、高端燃料电池配套制氢等小众场景，难以满足规模化、低成本的绿氢制备需求。

2.2非贵金属基电催化剂

非贵金属基电催化剂是当前规模化应用研发的重点^[4]，主要包括过渡金属硫化物（如MoS₂）、磷化物（如CoP）、氮化物（如FeN）及合金（如NiFe合金）等，这类催化剂凭借低成本、高活性成为铂基催化剂的核心替代方向^[3]。

以二硫化钼（MoS₂）为例，其表面的硫位点具有类铂的催化活性^[5]，析氢反应过电位约0.1~0.2V，虽略高于铂基催化剂，但成本仅为铂的千分之一；^[9]镍铁合金则是碱性电解水制氢的主流催化剂，不仅催化活性高，还能适配碱性电解液的强腐蚀环境，目前已在商业化碱性电解槽中广泛应用。非贵金属基催化剂的核心优势是成本低、资源储量丰富，但其缺点是长期稳定性不足，部分催化剂（如硫化物）在电解过程中易被氧化，导致催化活性逐渐下降，且催化活性仍有提升空间。

2.3碳基电催化剂

碳基电催化剂是近年新兴的低成本催化剂类型，主要包括掺杂氮、磷、硫等杂原子的石墨烯、碳纳米管、多孔碳材料等。

碳基催化剂的优势在于原料来源广泛（如生物质、煤炭、塑料等均可制备）、成本极低，且具有良好的导电性和化学稳定性^[3][10]；通过杂原子掺杂可在碳材料表面构建活性位点，实现析氢反应催化^[12]。但其短板是催化活性相对较低，过电位通常在0.2~0.4V，仅适用于对制氢效率要求不高的分布式、小型化制氢场景，目前尚未实现大规模商业化应用。

三类电催化剂的核心参数对比见表1：

表1主流电催化制氢催化剂核心参数对比

2.2.1催化剂的选择原则

不同场景下电催化剂的选择需兼顾活性、成本和适配性：大规模商业化碱性电解槽优先选择NiFe合金等非贵金属催化剂，平衡成本与性能；实验室高精度制氢可选用Pt/C等贵金属催化剂；小型分布式制氢装置可尝试低成本碳基催化剂。

2.2.2催化剂的性能优化方向

提升电催化剂性能是当前研究的核心方向，主要优化路径包括：一是通过纳米化、多孔化设计增加催化剂的活性位点数量，例如将MoS₂制备成纳米片、多孔球结构^[6]；二是通过元素掺杂调控催化剂电子结构，提升活性位点的催化能力；三是研发复合催化剂^[7]（如Pt-MoS₂复合、碳基-非贵金属复合），兼顾活性与成本；四是优化催化剂与电极的结合方式，提升长期运行稳定性。

3电催化制氢技术的发展挑战与前景

3.1当前面临的主要挑战

电催化制氢技术虽已取得显著进展，但仍面临三大核心挑战：

一是高性能催化剂成本与稳定性难以兼顾，铂基催化剂性能好但价格高，非贵金属/碳基催化剂成本低但长期稳定性不足；

二是催化剂规模化制备难度大，实验室中高性能的催化剂（如纳米MoS₂），在工业化量产时易出现活性位点减少、性能衰减等问题；

三是催化剂与电解槽的适配性不足^[15]，部分催化剂虽在实验室表现优异，但适配商业化电解槽时，因电解液流动、电极结构等因素，实际制氢效率远低于实验室数据。

3.2未来发展前景

电催化制氢技术的未来发展方向清晰且潜力巨大：

在材料层面，研发“高活性、低成本、长寿命”的非贵金属复合催化剂是核心目标^[14]，例如通过原子级调控构建类铂活性位点，实现非贵金属催化剂性能向铂基靠拢；

在能源耦合创新方面，张等人研究的自供电制氢系统，展现了美好的前景^[13]；

在应用层面，推动催化剂与电解槽的一体化设计，根据电解槽结构定制催化剂，提升实际应用效率。预计到2030年，非贵金属基电催化剂的稳定性可提升至10000小时以上，成本降至当前的50%以下，全面支撑电解水制氢的规模化应用。

结论

电催化制氢是提升电解水制氢效率、降低能耗的核心技术，其本质是通过催化剂降低析氢反应能垒，主流电催化剂包括高性能但高成本的贵金属基、性价比高的非贵金属基、低成本的碳基三类，不同催化剂适配不同制氢场景。当前技术虽面临成本、稳定性、规模化制备等挑战，但随着材料研发和工艺优化，电催化制氢将成为推动绿氢规模化、低成本制备的关键支撑。

面向大众的科普，不仅能提升社会对氢能技术细节的认知，也能让更多人理解“催化剂如何让制氢更高效”，为氢能产业发展营造良好的认知环境。未来，电催化制氢技术将与可再生能源、电解槽技术深度融合，持续推动绿氢成本下降，助力“双碳”目标的实现。

参考文献：

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[3]曹圆圆,叶荣榕,李娣,等.过渡金属碳化物在电催化析氢反应中的研究进展[J].中国科学:化学,2025,55(02):472-494.

[4]高秋璐,刁鹏.非贵过渡金属基电解水催化剂的研究进展及工程应用前景[J].工程科学学报,2025,47(04):923-939.DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2024.07.20.001.

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基金项目：辽宁省校级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：X202510166183）

作者简介：

李阳阳（2004.10—），女，汉族，籍贯：辽宁锦州人，沈阳师范大学化学化工学院，23级在读本科生，研究方向：化学

田舒鑫（2005.12—），女，汉族，籍贯：辽宁铁岭人，沈阳师范大学化学化工学院，23级在读本科生，研究方向:化学

赵知轩（2005.5—），女，汉族，籍贯：山东潍坊人，沈阳师范大学化学化工学院，23级在读本科生，研究方向：化学

张瑞（2004.11—），女，汉族，籍贯：辽宁葫芦岛人，沈阳师范大学化学化工学院，23级在读本科生，研究方向：化学

卢艳超（2002.08—），女，汉族，籍贯：辽宁朝阳人，沈阳师范大学化学化工学院，23级在读本科生，研究方向:化学