糟心而又難忘的2020年，終于過去了……這一年，因為疫情，改變了太多的行業(yè)，科研工作者也不例外，盡管科研的進度有些停滯，但全世界的科研工作者腳步并未停止。

接下來，我們將來一起來回顧一下，2020年至今全世界科研者對析氫反應(hydrogen evolution reaction，以下簡寫HER)的貢獻。(注：此文所有的統(tǒng)計數據，是基于Elsevier旗下的Scopus數據庫；關鍵詞是以“hydrogen evolution reaction和HER”來搜索的，并且為了排除個別文中帶有“HER”的字眼而言其他觀點的文章，篩選條件中只選取在題目和摘要中出現以上兩個關鍵詞的文章！)

據不完全統(tǒng)計，2020年scopus收錄了有關HER的文章共2472篇，較去年增加了480篇，不減反增，其中“article”共2336篇，“review”共136篇。

這些文章中，International Journal Of Hydrogen Energy期刊收錄的文章數最多，共220篇；排在第二位的是Journal Of Materials of Chemistry A，共135篇，第三位的是ACS Applied Materials And Interfaces，共87篇。(其他排名詳見圖1)

文章中出現歸屬機構次數最多的是“Ministry of Education China”，也就是“中國教育部”，共294次；其次是“中國科學院”，共219篇；排在第三的是“中國科學院大學”，共75篇；第四位的是“鄭州大學”，共67篇，是排在所有的高校的首位，這所河南地區(qū)唯一的“雙一流”高校，近些年表現實在搶眼；排在其后的是小編的母校“中國科學技術大學”(即總排名第五)，共61篇。(其他排名詳見圖2)

令人驚訝的是，這些文章中，歸屬地來自“中國”的，共1709次，幾乎貢獻了全部“HER”文章的70%，而排在第二位的“美國”僅247次，由此可知，中國科研工作者在這個領域中的所花的精力和金錢，但這些文章，是否有追逐熱點之嫌，就不得而知了。(其他國家排名見圖3)。

文章的關鍵詞部分，“hydrogen?evolution?reaction”共出現了1824次，排在第一位；而排在第二位的“Electrocatalysts”，共1362次。(其他排名詳見圖4)

文章歸屬作者方面，2020年發(fā)表該領域中最多的研究者是來自中國武漢理工大學的木士春教授，全年發(fā)表有關HER的文章共19篇，產量和質量之高，實屬我輩楷模，看來武漢年初的封城，并沒有絲毫拖慢武漢科研人的腳步。而排在第二位的是來自于香港城市大學的Paul K Chu教授，共13篇。(其他排名詳見圖5)

由于文章的數量眾多，本文中，我們選取了迄今為止被引數排前十的文章，進行了闡述匯報。(由于發(fā)表和見刊在時間上有延遲，這里我們以見刊時間為準。且小編能力有限，可能存在疏漏，望包涵！)

用于析氫和釋氧反應的自支撐基于過渡金屬電催化劑

電化學裂解水技術是氫能源的可持續(xù)轉化、儲存和運輸中一項極具前景的技術。尋找地球上豐富的析氫/析氧反應(HER/OER)的高活性和耐久性的電催化劑，來取代貴金屬基催化劑在水電解的可擴展性應用中，發(fā)揮著至關重要的作用。由于增強了動力學和穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的粉末涂層形式相比，獨立式電極結構非常有吸引力。在此，來自中國南開大學的程方益等人，以硫屬化合物、磷化物、碳化物、氮化物、合金、磷酸鹽、氧化物、氫氧化物和氧氫氧化物為例，綜述了過渡金屬基HER/OER電催化材料的最新進展。以自支撐電極為研究對象，介紹了自支撐電極在結構設計、可控合成、機理理解和性能增強等方面的最新進展。本文還討論了自支撐電催化劑，進一步發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和未來展望。

納米粒子電催化析氫研究進展

氫燃料被認為是最清潔的可再生資源，是未來能源供應中化石燃料的主要替代品?？沙掷m(xù)制氫是實現未來氫經濟的重要前提。電催化析氫反應(HER)作為水電解制氫的重要步驟，在過去的幾十年里得到了廣泛的研究。在此，來自香港理工大學的胡良勝、趙鵬翔以及Kwok-Yin Wong等人，首先總結了高能金屬催化反應的基本原理，并綜述了近年來基于貴金屬和非貴金屬的低成本、高性能催化劑以及無金屬高能金屬催化反應的研究進展。首先，研究者系統(tǒng)地討論了催化活性、形態(tài)、結構、組成和合成方法之間的關系。其次，研究者總結和強調了開發(fā)有效催化劑的策略，包括增加活性位點的內在活性和/或增加活性位點的數量。最后，介紹了HER的電催化技術面臨的挑戰(zhàn)、發(fā)展前景和研究方向。

Jing Zhu, Liangsheng Hu, Pengxiang Zhao, Lawrence Yoon Suk Lee, and Kwok-Yin Wong. Recent Advances in Electrocatalytic Hydrogen Evolution Using Nanoparticles. Chemical Reviews?2020?120?(2), 851-918. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00248

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00248

MOF-衍生的氧還原、析氧和析氫反應的電催化劑

氧還原反應(ORR)、析氧反應(OER)和析氫反應(HER)是發(fā)展綠色可持續(xù)能源系統(tǒng)的三個關鍵反應。高效電催化劑對于這些反應來說是非常需要的，以降低它們的過電壓和促進相關能源裝置的實際應用。金屬有機框架(MOFs)，是近年來出現的一種制備高導電性和活性位點均勻分布的碳基電催化劑的前驅體。此文中，揚州大學的Huan Pang&德國德累斯頓大學的?Stefan Kaskel&日本京都大學的Qiang Xu等人，綜述了MOF-衍生碳基材料用于ORR/OER/HER電催化的研究進展。研究者首先總結了MOF-碳基材料的材料設計策略，揭示了MOF-碳基材料在形態(tài)和成分上的豐富的可能性。其次，研究者討論了基于這些材料在ORR、OER、HER和多功能電催化方面的廣泛應用，重點討論了MOF-衍生碳基材料在相應反應的電催化方面所需要的特性。最后，研究者對MOF-衍生碳基ORR、OER及其電催化材料的發(fā)展前景進行了展望。

Hao-Fan Wang, Liyu Chen, Huan Pang,? Stefan Kaskel, Qiang Xu. MOF-derived electrocatalysts for oxygenreduction, oxygen evolution and hydrogen evolution reactions. Chem. Soc. Rev., 2020,49, 1414-1448. https://doi.org/10.1039/C9CS00906J

電解水是一種有前景的可持續(xù)制氫技術。然而，在實際應用中，由于需要非常大的電流密度(>500 mA cm^?2)，析氧反應(OER)變得不穩(wěn)定和動力學遲緩，這也是目前大規(guī)模制氫的主要障礙。此文中，來自南洋理工大學的Hong Jin Fan&清華大學的Cheng Yang等人，報道了一種非?；钴S且無粘合劑的NiFe納米線陣列OER電極，該電極可在電流密度高達1000 mA cm^?2、長達120小時的情況下實現持久的水分裂。具體來說，通過磁場輔助化學沉積方法制備了錨定NiFe氫氧化物(殼)的NiFe合金納米線(芯)陣列。在NiFe合金納米線表面原位形成了超薄(1~5 nm)非晶態(tài)氧化鎳鐵，是OER的高活性相。此外，分層電極的精細幾何結構，可以顯著改善電荷和質量(反應物和氧氣泡)的轉移。在堿性電解液中，該OER電極可以在僅為248 mV和258 mV的過電壓下，在120小時內穩(wěn)定產生500和1000 mA cm^?2的電流密度，這大大低于最近報道的任何過電壓。值得注意的是，以純鎳納米線為電極的一體化堿性電解槽，在1.76 V的超低電壓下達到了1000 mA cm^?2的電流密度，優(yōu)于目前最先進的工業(yè)催化劑。該結果可能代表了，用于工業(yè)電解槽大規(guī)模生產水分解制氫的一個關鍵步驟。

Liang, C., Zou, P., Nairan, A., Zhang, Y., Liu, J., Liu, K., … Yang, C. (2019). Exceptional Performance of Hierarchical Ni-Fe Oxyhydroxide@NiFe Alloy Nanowire Array Electrocatalyst for Large Current Density Water Splitting. Energy & Environmental Science. DOI：10.1039/c9ee02388g

利用碳量子點制備低釕含量雙金屬電催化劑，用于普適pH值析氫反應的一般路線

設計和合成新型、高效、穩(wěn)定的pH值通用析氫反應(HER)電催化劑，是一項具有挑戰(zhàn)性且緊迫的任務，其可用于電化學水分解實現可擴展和可持續(xù)的制氫。在此，中國科學院理化技術研究所的張鐵銳和鄭州大學的盧思宇等人，報道了一種簡便易行的方法，來制備一系列高效、穩(wěn)定的Ru-M (M=Ni, Mn, Cu)雙金屬納米粒子和碳量子點雜合物(RuM/CQDs)，具有普適pH值的HER。RuNi/CQDs催化劑，在所有pH水平上都表現出出色的性能。RuNi/CQDs顯示的13、58和18 mV的低過電壓，Ru加載在5.93 μgRu cm^?2，分別允許在1 _M KOH、0.5 _M H₂SO₄和1 _M PBS中電流密度為10 mA cm^-2。這種性能是目前報道的無鉑電催化劑中最好的催化活性之一。理論研究表明，Ni摻雜會使附近表面Ru原子的氫鍵能適度減弱，這對提高HER活性起著關鍵作用。

Liu, Y., Li, X., Zhang, Q., Li, W., Xie, Y., Liu, H., … Lu, S. (2019). A General Route to Fabricate Low-ruthenium-based Bimetals Electrocatalysts for pH-universal Hydrogen Evolution Reaction via Carbon Quantum Dots. Angewandte Chemie International Edition. DOI：10.1002/anie.201913910?

具有可控合成、層次結構和可調成分的多金屬納米晶體，可以大幅度提高燃料電池的催化性能。在此，來自中國嘉興學院的Hong Huang & 浙江師范學院的馮九菊等人，采用一鍋溶劑熱法制備了三金屬PtRhCo花瓣組裝合金納米花(PtRhCo PAANFs)，與PtRh_0.25Co納米枝晶(NDs)、PtRh_1.5Co NDs、PtCo NDs和商業(yè)Pt/C催化劑相比，PtRhCo PAANFs在0.5 M KOH溶液中乙二醇氧化的比活性和質量活性均有顯著提高。結果表明，該催化劑具有較好的耐CO性和可回收性，且在堿性電解質中具有較好的析氫活性和耐久性。研究表明，Rh對提高合金的穩(wěn)定性具有重要意義。這項工作為制備先進的三金屬電催化劑提供了一個很有前景的策略。

Y. Chen, X-X. Zheng, X-Y. Huang, A-J. Wang, Q-L. Zhang, H. Huang, J-J. Feng, Trimetallic PtRhCo petal-assembled alloyed nanoflowers as efficient and stable bifunctional electrocatalyst for ethylene glycol oxidation and hydrogen evolution reactions, Journal of Colloid and Interface Science (2019), doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.10.024

用于水分解、氧還原和選擇性氧化的原子位點電催化劑

電催化在清潔能源轉換中起著中心作用，使未來可持續(xù)技術的若干過程成為可能。原子位電催化劑(ASCs)，包括單原子位催化劑(SASCs)和雙原子位催化(DASCs)，由于其極高的原子利用率、明確的活性位點和高選擇性，作為貴金屬基催化劑的經濟替代品正在被研究。在此，來自清華大學的陳晨&李亞棟院士團隊，首先系統(tǒng)地回顧了ASCs的制備方法，然后綜述了一些新的、有效的用于精確探測原子結構的表征方法。在此基礎上，研究者對一些典型的清潔能源反應的研究進展進行了綜述：分解水，包括析氫反應(HER)和析氧反應(OER)；氧還原反應(ORR)包括對H₂O/OH的選擇性4e^– ORR和對H₂O₂/HO₂^–的選擇性2e^– ORR；甲酸、甲醇和乙醇(FAOR、MOR和EOR)的選擇性電氧化。最后，對其進行了簡要的總結，并討論了進一步發(fā)展更具選擇性、活性、穩(wěn)定性和低成本的ASCs所面臨的挑戰(zhàn)和機遇。

Zhao, D., Zhuang, Z., Cao, X., Zhang, C., Peng, Q., Chen, C., & Li, Y. (2020). Atomic site electrocatalysts for water splitting, oxygen reduction and selective oxidation. Chemical Society Reviews. DOI：10.1039/c9cs00869a

單原子空位缺陷觸發(fā)MoS₂的高效析氫

缺陷工程廣泛應用于過渡金屬二鹵代烷(TMDs)，實現電、光、磁和催化調控?？杖笔且环N極其微妙的缺陷，在一般催化調制中被認為是有效和靈活的。然而，除了濃度外，空位態(tài)對催化作用的影響仍不明確。在此，來自北京科技大學的康卓和張躍等研究者，通過高通量計算，初步得出了一系列析氫反應(HER)的MoS₂模型中硫空位(s空位)在濃度和分布上的最佳狀態(tài)。為了實現這一點，研究者采用了一種簡單溫和的H₂O₂化學蝕刻策略，在MoS₂納米片表面引入均勻分布的單個S-空位。通過對刻蝕時間、刻蝕溫度和刻蝕溶液濃度的系統(tǒng)調節(jié)，實現了對S-空位態(tài)的綜合調制。在電流密度為10 mA cm^-2時，最佳的HER性能達到了48 mV dec^-1的Tafel斜率和131 mV的過電位，表明單晶S空位優(yōu)于凝聚型S空位。這歸因于更有效的表面電子結構工程以及增強的電輸運性能。該策略在一定程度上彌合了理論的精確設計與實驗中的實際調制之間的差距，將缺陷工程擴展到更復雜的水平，進一步釋放提高催化性能的潛力。

Xin Wang, Yuwei Zhang, Haonan Si, Qinghua Zhang, Jing Wu, Li Gao, Xiaofu Wei, Yu Sun, Qingliang Liao, Zheng Zhang, Kausar Ammarah, Lin Gu, Zhuo Kang, and Yue Zhang. Single-Atom Vacancy Defect to Trigger High-Efficiency Hydrogen Evolution of MoS₂. Journal of the American Chemical Society?2020?142?(9), 4298-4308 DOI: 10.1021/jacs.9b12113

非晶態(tài)催化劑和電化學水分裂：一個不為人知的和諧故事

在不久的將來，可持續(xù)的能源轉換和存儲將很大程度上依賴于電化學分解水為氫和氧。鑒于此點，無數的研究工作集中在基本的電催化分解水和性能的改善，每天都在全球各地報道。人們都在追求高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的電催化劑，因為它們直接決定了水電解質的能量‐和成本效率。研究發(fā)現，非晶態(tài)電催化劑在電催化水分解方面比晶態(tài)電催化劑有更多的優(yōu)點。大量的研究表明，采用非晶態(tài)材料作為催化劑可以提高電催化水分解的性能。非晶態(tài)電催化劑的柔韌性與電催化水分解(析氧反應[OER]和析氫反應[HER])之間的協調是電催化水分解領域中尚未披露和總結的故事之一。在此，來自日本早稻田大學的Sengeni Anantharaj & Suguru Noda兩人，對電化學水解中非晶態(tài)電催化劑的興起進行了全面的討論。此外，還詳細介紹了電催化分解水的基本原理，并討論了一種適用于OER和HER的優(yōu)良電催化劑的特性。

Anantharaj, S., Noda, S., Amorphous Catalysts and Electrochemical Water Splitting: An Untold Story of Harmony. Small?2020,?16, 1905779.?https://doi.org/10.1002/smll.201905779

一維CdS納米棒/二維Ti₃C₂ MXene納米片肖特基異質結的原位制備增強光催化析氫

二維過渡金屬碳化物(2D MXene)具有優(yōu)異的金屬電導率、全光譜太陽能吸收和表面豐富的活性位點，在提高太陽能制氫效率方面具有廣闊的應用前景，從而引起了光催化領域的廣泛關注。然而，超薄二維MXene基異質結光催化劑的可控構建仍然是一個重大挑戰(zhàn)。在此，來自江蘇大學的劉芹芹&江蘇大學、南京林業(yè)大學、福州大學以及哈爾濱師范大學的楊小飛等人，通過在超薄Ti₃C₂ MXene納米片上原位組裝溶劑熱生成的CdS納米棒，制備了一維CdS納米棒/二維MXene納米片異質結，具有良好的納米結構和強界面耦合。由于其特殊的界面特性，1D/2D肖特基異質結能夠提供加速電荷分離和較低的肖特基勢壘，用于太陽驅動的水分裂析氫。正如預期的那樣，基于肖特基的光催化劑在發(fā)光析氫反應(HER)中的活性是原始CdS納米棒的7倍，這表明n型半導體CdS與高導電性2D Ti₃C₂ MXene納米片之間存在協同效應。

Xiao R, Zhao C, Zou Z, Chen Z, Tian L, Xu H, Tang H, Liu Q, Lin Z, Yang X, In Situ Fabrication of 1D CdS Nanorod/2D Ti₃C₂ MXene Nanosheet Schottky Heterojunction toward Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution, Applied Catalysis B: Environmental (2019), DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118382