杜 坤， 郭佳欣， 馬紫昂， 毛 晶， 凌 濤， 趙 巍

（1. 天津城建大學 材料科學與工程學院，天津 300384； 2. 天津大學 材料科學與工程學院 天津 300354）

作為可再生能源的補充,電解水制氫是一種可持續(xù)的、對環(huán)境無害的技術[1-7]。析氧反應（OER）作為水分解的半反應，由于其復雜的4 電子反應機制，反應動力學緩慢[3,8-11]，導致電解水制氫設備的電轉(zhuǎn)化效率較低。此外，工業(yè)化電解槽一般在強酸或強堿性環(huán)境中工作，致使電催化劑出現(xiàn)嚴重的腐蝕問題[12]。效率低和穩(wěn)定性不高等問題極大地限制了電解水制氫設備在可再生能源領域的廣泛應用。

在自然界中，光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）可以在中性環(huán)境中高效連續(xù)地產(chǎn)生O2，同時具有較高的轉(zhuǎn)換頻率和較低的過電位[13-14]。受PSⅡ的啟發(fā)，科研工作者對環(huán)境友好的中性環(huán)境電解水產(chǎn)生了極大興趣，并且已經(jīng)開發(fā)了各種非貴金屬電催化劑[12,15-17]。盡管該研究已取得巨大進展，但電催化劑在中性環(huán)境下的活性仍然比酸性或堿性環(huán)境下的活性低很多。為了便于設計催化劑和優(yōu)化其性能，需要對OER 機理進行深入的研究[18-23]。最近，原位表征技術取得了顯著進展，如原位紫外可見光譜[24-27]、原位X 射線吸收光譜[24-25,27-33]、原位紅外反射光譜[34-38]、原位拉曼光譜[24,39-43]等，使科研工作者對中性OER 的本質(zhì)有了新的認識。

本文主要介紹了中性OER 的最新進展，包括中性環(huán)境下OER 主要機理、OER 過程中電催化劑的反應中間體和化學態(tài)的原位表征技術、應用于中性OER 的非貴金屬元素的電催化劑材料，提出了中性環(huán)境下電解水OER 面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決策略。

1 中性環(huán)境下OER 主要機理

中性環(huán)境下OER 涉及4 個電子和4 個質(zhì)子的轉(zhuǎn)移過程[2-3,10]：

催化反應機理主要包括以下幾個步驟[44]：

或者：

式中：M 為活性位點，*OH、*O、*OOH 為OER 反應過程中的中間體。根據(jù)吸附質(zhì)演化機制，在中性環(huán)境中，首先發(fā)生水裂解產(chǎn)生*OH 并吸附在活性位點上，然后經(jīng)歷質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程，吸附的*OH 轉(zhuǎn)化為*O；隨后，*O 與電解液中的H2O 反應形成*OOH中間體；然后，由*OOH 脫質(zhì)子化轉(zhuǎn)化為O2，并釋放可再生的活性位點?；蛘咦裱Ц裱踅閷C制，活性位點上的2 個*OH 發(fā)生脫質(zhì)子反應，生成2 個M-*O，這2 個相鄰的M-*O 直接結合形成O-O。最后，生成的O2脫附并伴隨產(chǎn)生2 個空的活性位點。中性環(huán)境下OER 機理如圖1[44]所示。

圖1 中性環(huán)境下OER 機理Fig.1 The OER mechanism under neutral conditions

1.1 質(zhì)子反應級數(shù)的確定

電催化劑的活性高度依賴于式（2）、（3）、（5）或（6）反應過程中的質(zhì)子和電子的協(xié)同（耦合）轉(zhuǎn)移或分步轉(zhuǎn)移路徑。圖2 為質(zhì)子-電子的協(xié)同和分步轉(zhuǎn)移路徑示意圖。由圖2 可知，通常質(zhì)子和電子會同時轉(zhuǎn)移（圖2 中的紅色箭頭），遵從協(xié)同反應路徑[45-46]，質(zhì)子和電子的熱力學或動力學勢壘較高[47]。質(zhì)子和電子在有些情況下通過帶電中間體進行分步轉(zhuǎn)移[46]，從動力學角度來講，質(zhì)子或電子在活性位點脫除的速率更快[47]。

圖2 質(zhì)子-電子的協(xié)同和分步轉(zhuǎn)移路徑示意圖Fig.2 Illustration of the concerted and sequential proton electron transfer paths

當質(zhì)子的轉(zhuǎn)移為決速步驟（RDS）時，其協(xié)同轉(zhuǎn)移和分步轉(zhuǎn)移在不同pH 條件下的表現(xiàn)不同。利用Tafel 斜率和pH 依賴條件下的電位變化，可通過式（7）確定質(zhì)子的反應級數(shù)[47]：

式中：i為電流密度，mA/cm2；E為過電勢，mV。零級反應表明反應與質(zhì)子無關，一級反應則表明反應對質(zhì)子的線性依賴[24,47]。

1.2 反應決速步驟的確定

通過式（8）-（11）確定Tafel 斜率（b），進而可以確定式（2）-（6）哪個步驟為反應決速步驟[48-49]：

式中：i0為 交 換 電 流 密 度，mA/cm2；T為 熱 力 學 溫度，K；R和F分別為通用氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)；ν為RDS 的 數(shù) 量；n為 轉(zhuǎn) 移 電 子 數(shù)；nb和nr分 別 為 在RDS 之前轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和RDS 轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；αa和β分別為陽極反應的轉(zhuǎn)移系數(shù)和RDS 的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

當Tafel 斜率為58 mV/dec 時，陽極反應的轉(zhuǎn)移系數(shù)為1，表明RDS 之前的可逆電子轉(zhuǎn)移數(shù)為1.0[19,50-51]；當Tafel 斜 率 為116 mV/dec 時，陽 極 反 應的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.5，表明RDS 之前的步驟不涉及準平衡步驟[30,52]。

1.3 中性環(huán)境下OER 機理

D.G.NOCERA 等[50]探 討 了Co-Pi 催 化 劑 的OER 機理,結果見圖3。由圖3（a）-（b）可觀察到質(zhì)子的逆一級公式(-(?lgi/?pH)E=-1.0)和電位隨pH 的變化信息（(?E/?pH)i=-64 mV)。根據(jù)式（7）可得，Tafel 斜率為62 mV/dec。以上結果表明，在RDS 之前發(fā)生了可逆的一階質(zhì)子依賴性和單電子轉(zhuǎn)移過程。結合電子順磁共振[53]和X 射線吸收精細結構譜圖（EXAFS）[54]分析表明，Co-Pi 上的中性O2析出涉及CoⅢ-OH 和CoⅣ-O 之間的快速質(zhì)子和電子耦合轉(zhuǎn)移步驟，隨后發(fā)生包括形成O-O 在內(nèi)的化學轉(zhuǎn)化限制反應（見圖3（c））。文獻[55-57]也探討了Co-Pi 催化劑的OER 機理。

圖3 Co-Pi 催化劑的OER 機理[50]Fig.3 Investigation on OER mechanism of a Co-Pi catalyst[50]

K.JIN 等[24]揭示了MnO 納米顆粒在中性環(huán)境下的OER 機理，結果如圖4 所示。由圖4（a）-（b）可知，MnO 納米顆粒表現(xiàn)出電位的pH 依賴性(（?E/?pH)i=-71.8 mV)和質(zhì)子的反一級變化，Tafel 斜率為70.1 mV/dec。動力學結果與原位光譜分析結果表明，質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程（Mn(Ⅲ)-OH→Mn(Ⅳ)=O）在RDS 之前為準平衡反應，這也是MnO 納米顆粒比傳統(tǒng)Mn 催化劑具有更好的OER 活性的原因。

圖4 納米MnO 的OER 機理[24]Fig.4 Investigation on OER mechanism of MnO nanoparticles[24]

T.T.NAKAMURA 等[26,58-59]研 究 了Mn 基 催 化劑在中性環(huán)境下的OER 機理，并提出了提高OER性能的調(diào)控策略。圖5 為MnO2的pH 依賴性OER機制。結果表明，在水氧化過程中，Mn3+是RDS 中的前驅(qū)體，但由于pH＜9 時的歧化反應（2Mn3+→Mn2++Mn4+）而不穩(wěn)定（見圖5（a））[58]。其中,Mn2+被氧化成Mn3+的過程顯著增加了過電位，降低了Mn 基催化劑在中性環(huán)境下的催化性能[26,58]。當pH＜9、電位約為1.4 V 時，MnO2表面Mn 的價態(tài)從+2 氧化為+3，使產(chǎn)生水氧化電流的起始電位保持在1.5 V 左右，且不隨pH 發(fā)生變化（見圖5（b））[59]。同時，發(fā)現(xiàn)添加適當?shù)木哂袕娰|(zhì)子奪取能力的堿可促進Mn3+-OH(Mn2+-H2O?Mn3+-OH+H+e-)的形成（見圖5（c））[59]。綜上，在RDS 中質(zhì)子-電子的轉(zhuǎn)移過程從分步路徑調(diào)控到協(xié)同路徑，可以提高催化劑在中性環(huán)境下的OER 性能（見圖5（d））[59]。

圖5 MnO2的pH 依賴性OER 機制Fig.5 pH-dependent OER mechanism of MnO2

2 原位表征技術

盡管目前對中性環(huán)境下OER 機理有了大量的實驗和理論成果，但其詳細機理還缺乏深入研究。主要原因是在OER 過程中產(chǎn)生的反應中間體（如*OH、*OOH 和*O2）壽命短、覆蓋率低[34-38,60]。此外，在反應過程中電催化劑的化學狀態(tài)也在不斷變化[24-33]。為此，研究者開發(fā)了一系列先進的原位研究技術。例如，原位紫外-可見光譜（原位UVVis）[24-26]和X 射線吸收光譜（原位XAS）[24-25,27-33]可提供關于催化劑活性位點的價態(tài)和配位環(huán)境的全面信息；原位紅外反射光譜（原位IR）[37]和拉曼光譜（原位Raman)[24,42-43]可以識別OER 過程中的反應中間體。

2.1 原位UV-Vis

在原位UV-Vis 中，通過分子內(nèi)電子躍遷產(chǎn)生吸收譜帶[24-26]，即電荷轉(zhuǎn)移躍遷[25]（包括配體-金屬電子躍遷和金屬-金屬電子躍遷）或過渡金屬位點的d-d 躍遷，可以引起特定的帶邊吸收或原位UV-Vis光譜中吸收強度的變化。根據(jù)這種光譜特性，可以跟蹤OER 過程中活性位點的氧化還原轉(zhuǎn)化。

K.JIN 等[24]利用原位UV-Vis 分析，跟蹤了中性OER 過程中MnO 納米顆粒表面Mn 陽離子的變化。圖6 為中性環(huán)境下OER 過程中MnO 納米顆粒電極原位UV-Vis。由圖6 可知，在原位UV-Vis 中，波長為350～500 nm 和500～700 nm 的吸收帶分別為Mn(Ⅳ)的配體-金屬過渡吸收帶和Mn 的d-d 過渡吸收帶。 這一結果與X 射線近邊結構吸收光譜（XANES）結果相結合，證實了水氧化過程中形成了八面體Mn(Ⅳ)=O。

圖6 中性環(huán)境下OER 過程中MnO 納米顆粒電極原位UV-Vis[24]Fig.6 In situ UV-Vis spectra of MnO nanoparticles electrode during OER process at neutral pH[24]

2.2 原位XAS

原位XAS 是一種揭示工作條件下電催化劑化學和電子結構的強大技術[24-25,27-33]。圖7（a）-（b）為原位XAS[33]和典型K-edge 譜示意圖[34]。M.RISCH等[25]在pH=7 的條件下對無定形氧化鈷（CoCat）進行了原位XAS 測試，通過觀察XANES 邊緣的移動可跟蹤Co 原子的價態(tài)變化；通過EXAFS 可分析催化劑的幾何結構變化。圖7（c）-（d）為在不同電位下獲得的原位Co K-edge XANES 譜和原位傅里葉變 換EXAFS 譜[25]。

圖7 原位XAS 光譜測試Fig.7 In situ XAS spectra set up

由圖7（a）-（b）可知，典型的XAS 包括X 射線吸收近邊結構（XANES）和擴展邊X 射線吸收精細譜（EXAFS）兩部分[34]。XANES 區(qū)域?qū)Υ呋瘎┲薪饘僭氐膬r態(tài)敏感，而EXAFS 區(qū)域與催化劑的局部幾何結構密切相關，如配位數(shù)、距離和相鄰原子的無序性。

由圖7（c）-（d）可知，Co-氧物種邊緣的Co 陽離子經(jīng)歷了Co2+→Co3+→Co4+氧化態(tài)的變化，這與Co-橋接氧的結構變化和去質(zhì)子化有關。A.BERGMANN 等[28]通過原位XAS 技術監(jiān)測了結晶Co3O4薄膜催化劑在中性環(huán)境下的結構變化。結果表明，在OER 過程中Co3O4的亞納米殼層轉(zhuǎn)化為CoOx(OH)y的無定形層。具體而言，Co3O4中四面體配位的Co2+-單橋接氧在CoOx(OH)y中可逆地轉(zhuǎn)化為八面體配位的Co3+/Co4+-雙橋接氧，這是OER 的活性位點。

2.3 原位IR

原位IR 已被廣泛用于識別氣相中固體催化劑表面（氣/固界面）的吸附質(zhì)[61-62]。然而，由于溶劑液體的強吸收，原位IR 在監(jiān)測固/液界面吸附質(zhì)方面的應用受到限制[32]。具有衰減全反射的表面增強紅外光譜已成功用于提高固體/液體界面上表面分子的吸附效率，其原位IR 裝置示意圖見圖8（a）[35]。原位IR 在電催化中已取得廣泛應用[34,36-37,60]。Y.C.YAO 等[38]使用IR 監(jiān)測Ru/PtCu 電催化劑上的OER中間體。圖8（b）為Ru/PtCu 電催化劑在不同電位下的IR[38]。由圖8（b）可知，在1 212 cm-1附近觀察到的峰值對應吸附在催化劑表面的超氧化物的振動吸附，說明Ru/PtCu 電催化劑上O2的產(chǎn)生是通過吸附質(zhì)演化機制，而不是晶格氧介導機制。

圖8 原位IR 光譜測試Fig.8 In situ IR spectra set up

2.4 原位Raman

由于表面增強技術的進步，原位Raman也成功地用于跟蹤電催化反應過程中的反應中間體和催化劑的結構變化[42]。圖9 為原位表面增強Raman 測試。

由圖9（a）可知，原位Raman 與原位IR 相似，都屬于分子振動光譜，原位IR 對偶極矩的振動變化敏感，原位Raman 對極化的振動變化靈敏[31,39]。因此，這兩種方法提供的信息通常是互補的。A.T.BELL等[43]通過Raman 研究了沉積在Au 上的CoOx的催化性能。結果表明，在OER 過程中Co3O4被逐漸氧化為CoO(OH)（在503、565 cm-1處出現(xiàn)峰值，見圖9（b））；與 純CoOx催 化 劑 相 比，表 面Co(Ⅳ)物 種（579～609 cm-1處的譜帶）的增多使CoOx/Au 具有更高OER 活性（見圖9（c））。D.A.VERMAAS 等[41]探討了(NiFe)(OH)x活性的pH 依賴性。原位Raman表 明，在0.1 mol/L KOH、pH 為13.0 時，波 數(shù) 為900～1 150 cm-1處形成了“活性氧”（見圖9（d））；在pH 為9.2、0.5 mol/L K-Bi 中，并未觀察到這種光譜特征（見圖9（e））。這一結果很好地解釋了(NiFe)-(OH)x在中性環(huán)境下活性較差的原因。

3 電催化劑

本節(jié)將介紹中性環(huán)境下OER 催化劑的發(fā)展，重點介紹Co 基、Ni 基和Mn 基材料催化劑。中性環(huán)境下的其他OER 催化劑可參閱文獻[63]。

3.1 Co 基催化劑

D.G.NOCERA 等[55]首次報道了一種在溫和條件下的高活性Co-Pi 催化劑。圖10 為中性環(huán)境中Co-Pi 催化劑性能。

圖10 中性環(huán)境中Co-Pi 催化劑[55]Fig.10 Co-Pi catalyst in neutral medium[55]

由圖10 并結合文獻[55]可知，Co-Pi 催化劑在Co3+和Co4+之間通過質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移建立平衡，在加入兩個水分子后演變成一個O2分子，并回到Co2+狀態(tài)。原位XAS、UV-Vis 和電子順磁共振波譜結果表明，Co-Pi 催化劑的優(yōu)異活性緣于其在電催化水氧化過程中形成高活性Co4+物種[50,53-57]。此外，Co-Pi 催化劑可以在催化循環(huán)過程中自修復，從而實現(xiàn)其高穩(wěn)定性[55,64]。同時，各種Co-緩沖催化劑，如Co-Bi[17,65]、Ni-Co-Bi[66]、Mn-Co-Bi[67]和Co-Ci[68]等OER 電催化劑均被證明在中性環(huán)境下具有較高活性，這些含Co 催化劑可以在未經(jīng)處理的天然河水和海水中進行催化反應[68]。

據(jù)文獻[69-77]報道，鈷（氫）氧化物也可作為中性溶液中的活性OER 催化劑。圖11 為Co 基催化劑在中性環(huán)境中的電化學測試結果。K.WANG等[69]模擬了PSⅡ的結構，在Co3O4納米顆粒表面涂覆油胺，并使用磷酸鹽緩沖液作為質(zhì)子穿梭器來優(yōu)化OER 系統(tǒng)，以獲得有效的活性。其中，緩沖液作為質(zhì)子穿梭器可以極大地促進中性溶液中的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移，使中性溶液中的OER 活性顯著提高到堿性溶液中水平（見圖11（a））。Y.K.ZHANG等[70]合成了一種摻入銥（Ir）的富含缺陷Co 基氫氧化物催化劑，其中Ir 物種以簇和單原子的形式被整合到富含缺陷的氫氧化物納米片中，在高氧化電位下形成獨特的氫氧化鈉鈷和低配位的高價態(tài)Ir，顯著提高了其OER 性能（見圖11（b））。除了金屬元素外，非金屬元素的摻入也可以提高鈷基（氫）氧化物 催 化 劑 的 活 性[16,78-82]。X.L.ZHENG 等[33]將P 元 素摻入NiCoFe 氫氧化物中，通過Co、Fe 和非金屬P的合理組合系統(tǒng)地調(diào)節(jié)高活性Ni4+位點的形成能。磷酸鹽在低過電位下可以有效地促進Ni4+的形成，使催化劑NiCoFeP 的性能優(yōu)于IrO2（見圖11（c））。

圖11 Co 基催化劑在中性環(huán)境中的電化學測試結果Fig.11 Electrochemical tests of Co-based catalyst in neutral electrolytes

3.2 Ni 基催化劑

Ni 基催化劑，如Ni-Fe（氧）氫氧化物，在堿性電解質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的OER 活性[83-84]。然而，在中性環(huán)境下，其性能仍然較差。圖12 為Ni 基催化劑在不同電解質(zhì)和pH 條件下的電化學測試結果。M.G?RLIN 等[85]研究了Ni-Fe 氧化物催化劑在不同pH 條件下的OER 活性（見圖12（a））。研究發(fā)現(xiàn)，Ni-Fe 氧化物催化劑的活性與pH 存在如下關系：pH為7.0 時催化劑的活性＜pH 為9.2 時催化劑的活性＜pH 為13.0 時催化劑的活性。在中性環(huán)境中，氧化還原活性物種Ni 的快速損失，導致活性較差（見圖12（b））。因此，通過雜原子摻雜[86]、納米結構工程[87]等措施可以提高Ni 基催化劑在中性溶液中的穩(wěn)定性。

圖12 Ni 基催化劑在不同電解質(zhì)和pH 條件下的電化學測試結果Fig.12 Electrochemical measurement of Ni-based catalyst in different electrolytes and pH

繼Co-Pi 催化劑的研究之后[53]，D.G.NOCERA等[15]和D.K.BEDIAKO 等[27]開發(fā)了硼酸鎳催化劑（Ni-Bi），發(fā)現(xiàn)在pH＞7.0 且催化劑負載量相當?shù)那闆r下，Ni-Bi 的表觀比活性優(yōu)于Co-Bi，這是由于質(zhì)子中心完全去質(zhì)子化，使質(zhì)子活性的反應級數(shù)發(fā)生變化。但是，在pH≤7.0 時，發(fā)現(xiàn)由Jahn-Teller 扭曲的Ni3+化學價態(tài)引起的重組能較大，限制了電子轉(zhuǎn)移速率，因此Co-Bi 的活性更高（見圖12（c）-（d））。因此，研究者通過制備不同納米結構的Ni-Bi 催化劑來提高其在中性環(huán)境下的催化性能[12,88]。

3.3 Mn 基催化劑

自然界PSⅡ[89-90]，Mn 團簇（CaMn4O5）作為植物中高活性的析氧催化劑，能夠促進光驅(qū)動水氧化反應。受此啟發(fā)，研究者探索合成了各種Mn 基催化劑[26,58-59,91-92]。盡管取得了巨大進展，Mn 基催化劑在中性環(huán)境中的活性仍遠低于自然界PS Ⅱ的活性[25,89]。通常，人工合成Mn 基催化劑的OER 反應需要500～700 mV 的過電位[24,26,59]。K.JIN 等[24]采用原位光譜和電動力學相結合的方法研究了中性環(huán)境下單分散MnO 納米顆粒的水氧化機理。通過XANES、Raman 以及原位UV-Vis 驗證了Mn(Ⅱ)到Mn(Ⅳ)的獨特氧化還原變化。傳統(tǒng)Mn 催化劑的RDS 是一個單電子氧化反應：Mn(Ⅱ)-H2O→Mn(Ⅲ)-H2O，在這個過程中沒有準平衡步驟。但是，10 nm左右的MnO 納米顆粒以質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應作為準平衡步驟進行，從而促進Mn(Ⅳ)=O 中間體和O-O 的形成。研究發(fā)現(xiàn)，電化學活化催化劑成為提高OER 活性的有效方法[16,66]。M.HUYNH 等[52]通過電位循環(huán)法活化電沉積的MnOx膜，結果如圖13 所示。由圖13 可知，活化后MnOx催化劑的Tafel斜率從約120 mV/ dec 顯著降低到約70 mV/dec；電化學、光譜分析和結構分析等結果證明，經(jīng)過電化學活化，OER 過程中會產(chǎn)生無定型的布塞爾礦結構錳氧化物晶相（δ-MnO2），從而使催化劑具有較高的活性，其活性的起源可能是由于MnⅢ在扭曲晶格中的存在、結構無序(例如氧點缺陷)和Mn-O 鍵長的高度變化。表1 列出了Co、Ni、Mn 基催化劑在中性或近中性環(huán)境下的電催化性能。

表1 中性環(huán)境中OER 電催化劑的測試和性能Table 1 Measurement and performance of OER electrocatalysts in neutral media

圖13 電位循環(huán)法活化電沉積的MnOx膜[52]Fig.13 Activated the electrodeposited MnOx film by potential cycling protocols[52]

4 結論與展望

本文重點介紹了在中性環(huán)境下OER 的最新研究進展，并對OER 機理進行了深入分析。基于此，開發(fā)高效OER 電催化劑需要滿足以下條件:1）提供豐富的活性位點和優(yōu)異的導電性，可以實現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移；2）具有較大的比表面積，便于充分接觸電解質(zhì)，有利于離子和氣泡的快速擴散；3）由于離子濃度低，中性OER 的動力學速率比堿性/酸性條件下緩慢，基于這一點，認為應有效選擇催化劑的組分和構建催化劑的納米結構，以提供對反應物的最佳吸附能，從而在反應的最小能量路徑上呈現(xiàn)整體降低的動能勢壘。對于催化劑電子結構的調(diào)控，需要通過實驗和理論研究來揭示電子結構與反應中間體吸附能之間的關系。

未來的研究方向包括但不限于：

1）盡管已經(jīng)提出了許多反應機制，但到目前為止，中性環(huán)境下的詳細反應機制仍難以確定。后續(xù)應結合精確的材料合成、詳細的原位觀測和深入的理論計算進行電化學表征，以完全揭示OER 機理。

2）受當前原位表征技術分辨率的限制，電催化劑原子尺度的原位表征具有挑戰(zhàn)性。需要開發(fā)高精細的原位表征技術，如低劑量像差校正透射電子顯微鏡，以在反應過程中看到“真實”的活性位點。

3）盡管研究者開發(fā)了各種有應用前景的催化劑，但合成催化劑的OER 活性和自然界PSⅡ之間仍存在巨大差距。應對催化劑的電子和原子結構進行進一步調(diào)控，使其具有更好的熱力學和動力學特征，從而進一步提高催化劑的性能。