析氢反应（HER）：原理、描述符与计算方法

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说明：本文华算科技系统介绍了析氢反应（HER）的基本原理、反应路径及其在电解水制氢中的核心作用，重点阐述了氢吸附自由能等关键描述符对催化活性的影响，并结合密度泛函理论（DFT）等计算方法，解析HER反应机理与催化剂设计策略。

读者可深入了解HER在清洁能源转换中的应用，以及计算模拟如何推动高效催化剂开发，为科研人员与工程师提供理论参考，助力氢能技术发展。 

什么是HER反应？

析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction, 简称HER）是一种通过电化学方法在催化剂表面产生氢气的关键过程。具体而言，HER是电解水制氢过程中的阴极反应，在外加电场作用下，质子（H⁺）与电子（e⁻）在催化剂表面结合形成氢气分子（H₂）。

随着全球能源转型的加速推进，氢能作为理想的清洁能源之一，因其高能量密度和零碳排放特性而备受关注。

全球80%的能源需求目前仍依赖化石燃料，这既导致资源枯竭也造成严重环境污染，因此向可持续无污染非化石能源的转变已成为必然趋势。

HER反应在酸性环境中的基本路径包括Volmer步骤（H⁺+e⁻→H*，氢原子吸附）、Tafel步骤（2H*→H₂(g)）或Heyrovsky步骤（H*+H⁺+e⁻→H₂(g)）。

在碱性环境中，反应路径略有不同，Volmer步骤变为H₂O+e⁻→H*+OH⁻，需要额外的水分子解离过程。这些微观步骤的效率和平衡直接决定了整体制氢的经济可行性，因此开发高效HER催化剂成为科研界和产业界的共同目标。

DOI: 10.3390/catal13060987  

HER反应的计算方法

氢吸附自由能（ΔG_H*）的计算

HER反应的核心计算参数是氢吸附自由能（ΔG_H），它描述了氢原子在催化剂表面的吸附强度，是评估催化剂本征活性的关键描述符。ΔG_H的计算公式为：ΔG_H=ΔE_H*+ΔZPE-TΔS。

其中ΔE_H表示氢原子在催化剂表面吸附时的能量变化，通过密度泛函理论（DFT）计算获得；ΔZPE是零点能校正项，由氢原子吸附前后振动频率计算得出；TΔS代表熵变，对于吸附态H，熵变近似为零，而对于气相H2，TΔS取0.41 eV（298 K）。                                  

DFT计算流程

进行HER反应DFT计算通常遵循以下步骤：

模型构建：创建催化剂表面模型（如Pt(111)或MoS₂），优化晶胞参数。

吸附位点测试：评估氢在不同吸附位点（顶位Top、桥位Bridge、空位Hollow）的吸附构型和能量。

参数设置：选择合适的泛函（通常为GGA-PBE或RPBE），设置k点密度（表面模型建议≥3×3×1）和足够的真空层（≥15 Å）。

溶剂化校正：使用隐式溶剂模型（如VASPsol）或显式水分子层（建议4层H₂O）模拟溶液环境。

振动频率计算：通过频率分析获取零点能校正（IBRION=5+NFREE=2）。

HER反应的应用领域

HER反应作为一项核心技术，在多个清洁能源领域具有广泛应用：

电解水制氢

根据电解槽类型的不同，HER操作环境也有所差异。质子交换膜（PEM）电解槽在酸性环境中运行，需要使用铂等贵金属催化剂，但其系统紧凑、响应快速，适合与波动性的可再生能源直接耦合。

而传统碱性电解槽则使用镍基催化剂，成本较低但效率有限。近年来，阴离子交换膜（AEM）电解技术试图结合两者的优点，在降低贵金属用量的同时保持较高效率。

DOI: 10.1016/j.elecom.2025.108057

氢燃料电池

氢燃料电池技术与HER反应密切相关。实际上，HER是燃料电池中氢氧化反应（HOR）的逆反应，二者共同构成了氢–电转换循环。

在氢能经济中，电解水制氢（涉及HER）解决了氢气的绿色制备问题，而燃料电池则解决了氢能的高效利用问题。因此，对HER反应的深入理解对于提升整个氢能产业链的效率至关重要。

DOI: 10.1007/s11708-025-0975-7

化工原料生产

化工原料生产是HER反应的另一个重要应用领域。氢气是合成氨、甲醇炼制以及石油精制过程中不可或缺的原料。

传统的化石燃料制氢方法（如天然气蒸汽重整）伴随大量二氧化碳排放，而基于HER反应的电解水制氢则提供了一条零碳路径。随着可再生能源成本持续下降，电化学制氢的经济竞争力正在不断增强。

总结

HER反应作为电解水制氢的核心环节，对于实现全球能源转型和碳中和目标具有重要意义。理想的HER催化剂需要具备接近零的氢吸附自由能（ΔG_H*）、高导电性、优异的结构稳定性以及低成本等特性。

当前研究主要集中在通过纳米结构设计、合金化、单原子催化和复合材料等策略，优化催化剂的电子结构和表面性质，从而实现高效、稳定、低成本的制氢过程。

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