来源：RSC英国皇家化学会

ChemSocRev (Chemical Society Reviews) 是英国皇家化学会出版的一本顶尖期刊，发表高影响力、高权威性和高可读性的综述论文。从 1947 年创办的前身 Quarterly Review of the Chemical Society 算起，ChemSocRev 在这 70 多年里发表了许多影响深远的综述论文，已经成长为化学科学领域最具影响力和认可度的期刊之一，同时在所有科技期刊中也长期稳居各种影响力指标排名的前列。

相较于全文性综述，ChemSocRev 独特的教学性综述 (Tutorial Review) 同样重要，这是因为教学性综述的要求是让其它领域的研究人员和新入行的研究生们也能读懂，从而成为他们了解某个新领域的宝贵入门指引。为方便读者，每一篇教学性综述还会列出 5 条学习重点。

本文介绍的这篇教学性综述由南开大学焦丽芳教授团队撰写，首先介绍了电化学水电解的基本原理，之后探讨电催化水分解研究中计算方法和模型方面的最新进展。此外，该文还给出了对电解水描述符的全面概述，希望能帮助读者们了解电解水催化剂的本质催化性能。最后该文判性地评价了该领域中依然存在的挑战。

Tutorial Review

引言

氢气 (H₂) 是质量能量密度最高的燃料，而且其仅有的燃烧产物（水）对环境无污染。这些特性使 H₂ 成为了一种优异的能量载体，也是未来低碳能源系统的潜在候选者。

通过析氧反应 (oxygen evolution reaction, OER) 和析氢反应 (hydrogen evolution reaction, HER) 实现的电化学水分解被认为是一种环保且可持续的制氢技术。然而，析氧反应和析氢反应的高过电势和缓慢动力学阻碍了H₂ 燃料的生成。尽管 Pt、IrO₂ 和 RuO₂ 等贵金属基材料作为 HER 和 OER 的电催化剂效率很高，但它们的稀缺性和高昂成本限制了它们的广泛应用。鉴于此，十分有必要探索高效且具有成本效益的电催化剂以显著提升电化学水分解过程的性能。

水分解催化剂的传统设计方法通常是依赖于试错测试；由于催化剂结构复杂且原位表征技术有限，这种方法既费力又低效。如今，计算建模已成为了更理性的催化剂设计方法。

与主要关注催化剂宏观性能的实验研究相比，理论研究通常更强调整个催化系统的电子结构。研究人员们通过理论计算可以揭示电解水催化剂的潜在作用机理、活性位点结构和活性描述符，从而能更好地了解催化活性的起源并为催化剂的设计和优化提供基本的理论指导。

此外，随着计算机技术的快速发展 、计算模拟——特别是机器学习 (machine learning, ML) 算法——有望实现对水分解电催化剂的快速、高效和准确筛选。

图 1.  理论计算不仅加深了我们对实验观察的理解，还为进一步的实验提供了指导，从而得以让我们更快地发现高效的水分解电催化剂

受此启发，本篇综述全面概述了计算化学在促进水分解电催化剂的发现、开发和设计中的最新进展，本综述的结构如下：

首先对电化学水分解的基本原理进行了广泛的讨论，特别强调确定析氢反应 (HER) 和析氧反应 (OER) 的机理（第 2 节）。

接下来后对计算方法（第 3 节）和模型（第 4 节）研究的最新成果进行了深入探讨，希望能更为准确地描述在电催化剂上发生的水分解反应。

随后对析氢反应 (HER) 和析氧反应 (OER) 方面的描述符研究工作进行了总结，这是根据基本原理进行催化剂设计和筛选的关键（第 5 节）。

最后指出了实现水分解电催化剂实际应用中持续存在的挑战和机遇，同时对该领域的未来发展提出了展望（第 6 节）。

Key Learning Points 学习要点

对水分解电催化的计算化学研究的重大进展开展的全面、权威的综述。

电化学分解水的基本原理。

计算方法和建模在电化学水分解研究中的适用性。

析氢反应 (HER) 和析氧反应 (OER) 所采用的关键理论描述符，它们在高效电解水催化剂的设计和筛选中发挥着至关重要的作用。

计算化学在推进电化学水分解研究中的未来挑战和前景。

综述目录

Introduction

引言

Fundamentals of electrochemical water electrolysis

电化学分解水的基础知识

HER mechanisms and pH effect

析氢反应机理与 pH 的影响

OER mechanisms

析氧反应的机理

Brief theoretical methods for electrochemical water splitting

电化学分解水的简要理论研究方法

QC calculations

量子化学计算

MD simulations

分子动力学模拟

MK modeling

微动力学建模

ML technique

机器学习技术

Theoretical basis and computational models for electrocatalysis

电催化的理论基础和计算模型

Theoretical basis of electrocatalysis

电催化的理论基础

Computational hydrogen electrode model (CHEM)

计算氢电极模型

Solvation effect

溶剂化效应

Constant-potential method

恒电势方法

Structure–activity relationships of water-splitting catalysts

电解水催化剂的构效关系

HER descriptors

析氢反应的描述符

HER descriptors

析氧反应的描述符

Conclusions and perspectives

结论与展望

Investigation of HER and OER mechanisms

对析氢反应和析氧反应的机理研究

Development of computational methodologies

计算方法学的发展

Design of universal and comprehensive descriptors

通用性和全面性描述符的设计