研究背景
随着全球对清洁能源需求的增加，绿色氢气生产已成为可持续发展的重要方向。其中，通过水电解生产氢气是一项备受瞩目的技术。然而，由于氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER）在电解过程中存在反应动力学缓慢的问题，尤其是OER，需要额外的能量输入（即高过电位）才能实现合理的电流密度，这使得提升电解效率成为关键挑战。
钙钛矿氧化物因其在水电解中的优异表现，成为近年来研究的焦点。钙钛矿氧化物的通用化学式为ABO3-δ，其中A位通常由稀土或碱金属占据，B位由过渡金属占据，而氧空位δ的存在使其结构和化学性质具有高度的可调性。这种材料不仅能够容纳周期表中近90%的金属元素，还具有高催化稳定性、低成本和环境友好性等显著优势。因此，钙钛矿氧化物被广泛应用于电催化反应，如氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER），以提升水电解的整体效率。
成果介绍
科廷大学邵宗平教授等人对钙钛矿氧化物作为电催化突破：晶化和非晶化的应用，进行了总结和展望，该成果以“Perovskite oxides as electrocatalysts for water electrolysis: From crystalline to amorphous”为题发表在Carbon Energy期刊上。
研究亮点
1. 钙钛矿氧化物家族的多样性
钙钛矿氧化物材料的多样性和可调性使其在水电解应用中具有广泛的前景。除了单钙钛矿氧化物（SP）之外，双钙钛矿氧化物（如A位阳离子有序的A′A′′B2O5+δ和B位阳离子有序的A2B′B′′O6-δ）和Ruddlesden-Popper钙钛矿氧化物（如A′n-1A′′2BₙO3n+1）也在钙钛矿氧化物家族中占有重要地位。通过多种方法和技术，研究者能够设计出具有不同颗粒大小、形态、结构和缺陷的钙钛矿氧化物材料，这些变化大大增强了其在电催化中的表现。
2. 晶体工程与非晶化技术的突破
在钙钛矿氧化物的研究中，传统的晶体工程技术通过调整晶体结构的相、表面性质和晶格畸变来优化电催化性能。近年来，打破钙钛矿氧化物的晶体结构——即非晶化技术，被认为是一种有效增强水电解电化学活性的方法。非晶态材料相较于晶态材料，具备自我调节能力，能够在电催化过程中适应不同的反应条件，促进体积和表面的电催化反应。
具体来说，非晶态材料由于其内部缺陷结构丰富，使得电催化活性显著提升。非晶化的钙钛矿氧化物能够调节并适应高度活跃的晶体相，有效提升电催化性能。这一特性不仅有助于水电解反应的加速，还能在其他应用中如燃料电池、超级电容器、电催化和光催化、化学循环以及二氧化碳还原等领域发挥重要作用。
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未来展望与研究方向
尽管钙钛矿氧化物在水电解制氢领域展现出广阔前景，但仍然面临诸多挑战。未来的研究需集中于以下几个方面：
1. 成本效益优化：开发更加经济高效的钙钛矿氧化物电催化剂，以降低大规模氢气生产的成本。
2. 材料结构的精细调控：进一步探索和优化钙钛矿氧化物的结构设计，以提高其在实际应用中的稳定性和活性。
3. 反应机制研究：通过实验和计算模拟深入研究钙钛矿氧化物的电催化反应机制，为优化设计提供理论指导。
总之，钙钛矿氧化物作为电催化剂在水电解制氢技术中的应用，标志着绿色氢能生产的重要进步。这一领域的持续创新与突破，将为全球能源转型提供更为清洁、可持续的解决方案。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.595
文章信息：Hainan Sun, Xiaomin Xu, Gao Chen, Zongping Shao*, Perovskite Oxides as Electrocatalysts for Water Electrolysis: From Crystalline to Amorphous, Carbon Energy, 2024, e595.