对本文的兴趣点是氢化，本人对氢气的生物学效应机制一直着迷，但又一直没有获得满意的结果。氢气发挥生物学效应存在两种可能，一是直接参与生物化学反应，二是间接参与生物化学过程。现在看起来，直接参与生物化学反应的可能性比较大。间接过程见于纯惰性气体如氙气的生物学效应，主要在于通过深入到分子结构内部，干扰其他化合物进入分子的速度。例如氙气能干扰甘氨酸进入NMDA受体结合部位，成为这种效应的理想阻断剂。且这种阻断剂没有化学活性，是非常安全副作用小的理想受体阻断剂。当然这种作用可能难以产生专一性或特异性。直接参与生物化学过程则需要打破氢分子共价键，这非常符合氢气作为生物代谢分子的特征，因为氢气可以被细菌生物合成，也可以被细菌生物分解利用。无论合成和分解，都存在氢气共价键的产生和解离。而这种过程会伴随化学能的利用和释放。但是由于氢气的产生和利用在微生物领域都存在特异性的酶催化过程，而高等生物似乎已经丢失了这种特异性的催化酶。但是没有特异性催化酶不等于没有类似活性的其他非特异性催化酶。没有催化酶也不等于没有可以结合氢气的其他类似生物活性分子。这些分子产生效应可能存在氢气的合成和分解类似过程。这种过程和工业上的氢化过程可能由类似特点。本文介绍利用水电解产生氢原子实现氢化的过程，是否会和氢气在生物体系内的过程由类似性。值得我们思考。

在有机合成中，氢化是一个关键过程，已经开发了多种催化策略来实现不同底物的有效氢化。尽管这些方法很有能力，但主要依赖于分子氢（H2）气体在高温和高压下的操作带来了挑战。其他替代氢源如无机氢化物和有机酸往往过于昂贵，限制了它们在大规模上的实际应用。相比之下，用水作为有机氢化的氢源呈现出一个有吸引力且可持续的替代方案，有望克服与传统氢源相关的缺点。结合电力作为唯一驱动力在环境条件下，使用水作为唯一氢源的氢化反应与环境可持续性目标相吻合，同时也提供了更安全、可能更具成本效益的解决方案。本文首先讨论传统氢源与水在氢化反应中的固有优势和局限性，然后介绍成功利用水作为氢源实现大量有机氢化转化的代表性电催化系统，重点介绍异质电催化剂。总之，过渡到使用水作为有机氢化的氢源代表了可持续化学的一个有希望的方向。特别是，通过探索和优化电催化氢化系统，化学工业可以减少对危险和昂贵氢源的依赖，为更安全、更绿色、能量密集度更低的氢化过程铺平道路。

1. 引言

氢化是现代化学合成的基石，在包括石油化工、煤化工、精细化工和环境工业在内的各个领域都具有重要意义。据估计，大约25%的所有化学过程至少包含一个氢化步骤。例如，加氢脱氮和加氢脱硫对于石油化工炼油厂中原油的净化至关重要，而选择性过程如不对称氢化为高效合成高价值精细化学品提供了有效途径。因此，寻求温和条件下的直接氢化方法已成为当代研究的重要焦点，这也符合提高化学工业整体可持续性和效率的需求。

虽然工业氢化主要依赖于使用H2作为主要氢源的热催化方法（图1A），但最近的研究焦点转变揭示了电催化作为一种可行的替代方案的潜力。这些新方法不同于传统的高能耗热催化过程，后者存在显著的可持续性问题。由于电力可以从光伏产生，将太阳能集成到电催化氢化中进一步增强了其环保和可持续性。

图1 (A) 使用H2的热催化氢化和使用水作为氢源的电催化氢化的一般表示。

除了能源输入，氢源在氢化反应中同样至关重要。尽管H2和其他分子氢供体（例如，甲酸、醇、胺、氢化物等）已广泛用于氢化反应，但它们自身的限制/约束促使人们寻求更绿色和更经济的替代方案。可以说，最绿色且成本最低的氢源是水。实际上，结合电催化技术，水已被成功用作多种有机氢化应用中的多功能氢源。本文旨在深入探讨以水为主要氢源进行氢化反应的原理，这是使用异质电催化剂进行绿色氢化领域的一个有希望的方向。强调水相对于传统氢源的独特优势，我们将对不同的氢化策略进行比较分析，然后介绍使用水作为氢源的各种氢化反应的代表电催化系统。通过研究这些新兴方法，我们旨在突出基于水的氢化作为一种可持续且高效方法的潜力，适用于化学工业。

2. 不同氢源用于有机氢化的比较

在氢化过程中，除催化剂外，所需的基本元素是氢源。以下部分将简要讨论包括H2在内的常用氢源的优势和局限性。

2.1 分子H2

H2在工业热催化氢化过程中占据主导地位，提供几个独特的优势。H2的高反应性是一个主要好处，使各种官能团的有效氢化成为可能。这种反应性允许烯烃、炔烃和羰基化合物等多种物质的氢化。另一个优点是使用H2的反应简单且清洁，与其他还原剂相比通常产生较少的副产品。这方面在产品纯度和反应后纯化方面特别有利。此外，H2可以与各种异质和均质催化剂配对，使整个过程在经济和环境上更具有吸引力。此外，H2在不对称氢化中的应用为手性分子提供了途径，这在药物合成中至关重要。最后，使用H2符合绿色化学原则，特别是当其源自可再生资源（如生物质）时，有助于可持续的化学实践。

尽管有这些优势，H2在氢化反应中也存在某些局限性。因为氢化需要氢气原子或氢化物，所以H-H键的均裂或异裂是涉及H2的氢化反应的先决条件，这可能需要大量能量。此外，与其使用相关的安全顾虑是一个主要挑战。H2高度易燃且易爆，尤其是在高压下，需要严格的安全协议和专业设备。这可能导致操作成本和复杂性的增加。此外，许多氢化过程需要高压，这可能限制反应的规模并需要昂贵的反应器。另一个缺点是选择性问题。尽管H2对广泛的氢化有效，但其非特异性可能导致过度氢化或多个官能团的还原，这在复杂分子合成中是不可取的。目前市场上主要从化石燃料中提取的H2的依赖也引发了环境担忧。事实上，由于工业H2主要是通过蒸汽甲烷重整生产的，这可能包含一定量的CO杂质，催化剂中毒并不是一个可以忽视的问题。

2.2 无机氢化物

氢化反应也可以使用许多无机氢化物进行，特别是在相对小规模的应用中。无机氢化物，如LiAlH4和NaBH4，在实验室研究中广泛用于有机氢化反应，每种都有独特的优点和局限性。LiAlH4在相对较温和的条件下非常有效地还原各种官能团，如羰基和羧酸。然而，其极高的反应性和对水分的敏感性需要无水条件和小心处理。NaBH4的反应性低于LiAlH4，提供了更安全的处理和与一些质子溶剂的兼容性，但其效力较低，主要还原醛和酮。使用这些无机氢化物通常需要化学计量量，导致废物处理问题，尤其是铝盐。它们的非选择性也可能是一个问题，在更需控制还原的复杂合成中。每种氢化物都提供了一种反应性和选择性的平衡，针对特定应用最大化其益处同时最小化缺点，以优化有机合成。

2.3 有机氢供体

除了H2和无机氢化物外，还有大量的有机分子，如醇、醛、甲酸、胺等，被用作各种有机氢化反应的氢源。图2A展示了用作氢化反应氢源的那些代表性有机分子，每个都有其自身的优点和局限性。