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11催化22均相催化33异相催化44酶催化55催化的应用66催化的应用77科学问题与挑战88CO2的电化学还原99催化基础101011吸附1212催化剂表面的吸附能1313催化剂表面的吸附解离过程1414催化剂表面的吸附解离过程1515电催化还原N2合成NH31616不同晶面对于活化能的影响17不同晶面对于活化能的影响1818催化反应的自由能变化19清洁能源的开发与利用Ref:Z.-W.Seh,J.Kibsgaard,C.F.Dickens,I.Chorkendorff,J.K.Nørskov,T.F.Jaramillo,Science2017,355,6321.u开发基于太阳能、风能、水能、生物能等清洁能源，并将其转化为电能、氢能、化学能等可利用的能源形式，成为当今能源研究的重要方向20目前主要的制氢方式及其成本分析u利用化石能源（如水煤气法、天然气裂解法）制备氢气为当今工业氢气的主要来源，但同时带来CO2的排放u电解水制氢（占4%）清洁无污染，但目前耗电能较大，且催化剂主要使用贵金属或贵金属氧化物，成本较高21我国电力结构2016powerstructureinChina2030powerstructureinChinau截至2006年底,我国的装机容量倒带了16.4亿千瓦u火力发电装机容量超过10.0亿千万，超过64%u预计到2030年，我国的装机容量将达到27亿千瓦，其中可再生能源的装机容量超过50%22我国可再生能源发电供需矛盾风能太阳能水能黑河腾冲用电量需求23可再生能源发电的“弃电”问题ThreeGorgesHydropowerStation（90billionkWhperyear.）u我国是“弃电”问题最为严重的国家之一u2016年，我们水电、风电、光伏和核电的弃电分别为574亿千瓦时、497亿千瓦时、74亿千瓦时、和462亿千瓦时u预计到2020年，总弃电规模会超过2800亿千瓦时24利用太阳能进行电解水制氢（人工光合作用）光催化剂直接分解水光伏电池+电解水催化剂ImagefromNathanLewisetal.(JCAP,USA)ImagefromKazunariDomenetal.(Japan)Solarenergy+H2O+O2Catalyst主要设计思路：25光催化分解水与电解水制氢水还原（析氢，HER）水氧化（析氧，OER）u分解水是耗能过程，能源可以来自电、太阳能（光、热）、风能等u由析氢反应（HER）和析氧反应（OER）两个半反应组成，其中OER是4电子过程，反应动力学较慢，是分解水过程中的决速步骤26电解水制氢（及其氢氧燃料电池）的化学半反应Ref:M.T.M.Koper,H.A.Heering,inFuelCellScience,Eds.A.Wieckowski,J.K.Norskov,Wiley,(2010),p.71-11027过电势与电催化剂2828水还原产生H2的反应机理2929催化剂性能的定量描述3030水氧化产生O2的反应机理3131电催化还原CO2的反应能量32323333挑战：催化产物的选择性