镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂用于析氢和析氧反应（英文）

开发高活性、低成本的析氢反应和析氧反应电催化剂对于能源的可持续发展至关重要。金属有机框架衍生的纳米材料已经成为一类非常有前景的非贵金属双功能电催化剂,但是目前对镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂的深入研究并不全面,其催化活性和稳定性还有待进一步提高。本文制备了一种棒状多孔碳负载镍纳米颗粒的新型电催化剂,并将其用作电催化析氢和析氧反应。实验研究结果表明该类电催化剂表现出优异的析氢和析氧反应活性和长期稳定性,在10 mA·cm~(-2)的电流密度下,析氢反应和析氧反应的过电位分别为120和350 mV。我们认为:材料可控的纳米结构和均匀分布的活性位点共同提升了复合材料的电催化性能。     

氧空位和磷掺杂协同增强铁钴基材料电解水催化性能

为了研发高效、稳定的电解水催化剂,我们以氧空位和磷掺杂为基础,通过原位浸泡生长和两步热处理的方法,在泡沫铁上合成具有氧空位和磷掺杂的纳米花结构作为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)双功能电催化剂。CoFe₂O₄已被报道为一种很有前途的OER和氧还原反应(ORR)电催化剂,然而CoFe₂O₄在HER中表现出电导率差、电催化反应慢的特性。CoFe₂O₄中氧空位(Ov)的形成可以有效调控催化剂表面的电子结构,有助于产生更多的缺陷和空位,从而提高OER的活性。随后,引入磷原子填充在空位中,制备的P-Ov-CoFe₂O₄/IF在碱性电催化测试中展现出优异的HER和OER性能,在10 mA·cm^-2电流密度下HER和OER过电位仅为54和191 mV,Tafel斜率分别为57和54 mV·dec^-1,并具有良好的循环稳定性。     

Ru-Ni/C催化剂在碱性介质中的析氢性能研究

氢气的高效生产和利用对构建清洁低碳的能源体系至关重要, 碱性电解水制氢是目前我国应用最多的制氢技术,但也存在能耗较高的难题。因此迫切需要寻找低成本、高性能的电催化剂用于析氢反应（HER）提高水分解效率。本工作采用沉积沉淀法合成了双金属负载型Ru-Ni/C催化剂,用透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）对催化剂的形貌和结构进行了表征。用线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）等测试了HER性能。结果显示炭载体上RuNi双金属均匀分散,在电流密度为10 mA?cm-2时过电位仅为34.4 mV且稳定性良好,Tafel斜率仅为60.33 mV?dec-1,比商用Pt/C还小。表明Ru-Ni/C催化剂展现出了优异的HER电催化活性和稳定性,RuNi双金属之间的协同效应很大程度上促进了催化剂的催化性能,该研究为发展高效的碱性电解水制氢阴极催化剂提供了新思路。     

电沉积NiCu合金锚定Co2P纳米线调控电子结构增强的析氢反应

发展高效稳定的析氢反应(HER)是实现电解水技术广泛应用于工业的关键.本文以泡沫镍(NF)为基材,通过水热-热解-电沉积法合成了具有三维高分散非均相的HER催化剂CuAl@Co₂P/NF.研究发现,晶面与非晶面异质结的形成增加了该催化剂自身的活性位点,各元素之间的协同作用使体系内Co原子核外电子重新排布,降低了对吸附H~*的吸附能力,加快了析氢反应过程中的反应动力学.该催化剂在碱性和酸性介质中均表现出良好的HER活性和稳定性,电流密度为10 mA/cm²时的过电势分别为83和27 mV,尤其在碱性环境下连续工作72 h后的电位基本保持不变.     

泡沫铜支撑Ru掺杂Cu3P自支撑催化剂及其析氢性能

过渡金属磷化物(TMP)是一种用于碱性条件下析氢反应(HER)的有效催化剂, 然而其活性严重受限于水解离步。本文通过在泡沫铜(CF)上生长Cu(OH)₂纳米阵列, RuCl₃溶液浸泡和磷酸化, 制备了一种具有较大比表面积和适当Ru掺杂的Ru-Cu₃P自支撑催化剂(Ru-Cu₃P/CF)。作为一种优良的HER催化剂,在电流密度为10 mA·cm^-2时, 其过电位为95.6 mV, 比Cu₃P/CF降低149.4 mV。其决速步由Volmer向Heyrovsky机制过渡。HER性能的提高可以归因于Ru掺杂磷化铜促进水解离过程,以及Cu(OH)₂纳米阵列衍生Cu₃P纳米结构具有更高的电化学活性面积, 从而保证了更多的活性位点。本论文突出了具有空的d轨道的金属掺杂促进水解离的重要性,为高性能电解水析氢催化剂的设计提供了新思路。     

血小板状Ru掺杂Ni2P纳米催化剂的合成及其双功能电催化析氢和析氧性能

采用简单的一锅法制备了血小板状Ru掺杂Ni_2P纳米片催化剂。金属Ru的引入不但显著增强了催化剂的电子传输性能,而且导致血小板状纳米片表面产生了大量阶梯/位错缺陷;此外,电催化活性位点测试表明Ru和Ni_2P均是电催化的有效活性组分。这些因素共同促进了电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)过程。对于HER,该催化剂表现出明显优于单一Ni_2P和Ru且接近商用20%(w/w)Pt/C催化剂的初始电位(35 mV)和Tafel斜率(34 mV·dec~(-1))以及长久的稳定性(3 000圈)。对于OER,该催化剂表现出优于Ni_2P、Ru、20%Pt/C且接近商用IrO_2催化剂的初始电位(1.54 V)和过电势η10(0.49 V)。     

负载于三维镍网上的磷化钴纳米珠链阵列的高效水电解性能研究

研究廉价且高效的水分解电催化剂对于氢能源的开发利用具有重要意义,过渡金属磷化物是最有前景的水分解双功能电催化剂之一。本研究采用先水热法,再低温磷化的简单的两步合成法,在三维镍网上生长CoP纳米珠链阵列,所生成的镍网(Nickel foam,NF)负载CoP纳米珠线阵列(CoP/NF),具有规则的形貌、较大的比表面积,在碱性条件下对氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER)都表现出良好的电催化性能。在电流密度达到10 mA/cm~2时的过电位分别为280 mV(OER)及95 mV(HER)。利用此CoP/NF复合材料组成的双电极体系可以有效电解水,在电流密度为10 mA/cm~2时所需的施加电压仅为1.63 V,并且表现出非常高的稳定性。     

磷化镍/氮硫双掺杂石墨烯复合材料的制备及电催化析氢性能

采用水热法合成了具有高活性的磷化镍纳米晶(Ni₂P), 并合成了氮、 硫共掺杂石墨烯负载磷化镍纳米催化剂(Ni₂P/NSRGO). 对该催化剂的结构和形貌进行了表征, 并研究其电催化析氢性能. 电化学测试结果表明, Ni₂P/NSRGO复合电催化剂的析氢性能优于Ni₂P/RGO催化剂, 具有较小的Tafel斜率(35 mV/dec)、 较低的过电位(η₁₀=140 mV)和良好的稳定性.     

多孔二元过渡金属纳米片阵列电极制备及电催化析氢研究

碱性电解液中,电解水析氢的H2O解离过程非常缓慢,造成析氢反应较高的过电位和Tafel效率。选择具有本征高析氢活性的合金催化剂与水解离中心-过渡金属氧化物复合,并进一步优化复合物形貌结构,被证明是解决这个科学问题的重要策略。本文报道一例新颖的二元过渡金属纳米片阵列自支撑电极（MoO3-x-MoNi4@NF）, 多孔MoO3-x纳米片阵列均匀生长在泡沫镍电极表面,纳米片表面镶嵌着MoNi4合金纳米颗粒,多孔的纳米片阵列使得催化剂具有高的比表面积（57 m2/g）和丰富的活性位点。在碱性电解液中（1 M KOH）,MoO3-x-MoNi4@NF仅需要过电位30mV就能达到10 mA cm-2电流密度,如此低的过电位超过了贵金属催化剂20% Pt/C (32 mV)。同时,MoO3-x-MoNi4@NF具有超低的Tafel斜率,仅为31 mV dec-1,如此低的Tafel斜率得益于Ni-Mo合金与MoO3-x之间的协同催化剂作用的发挥,MoO3-x可以有效促进H2O解离并释放Hads,MoNi4纳米颗粒作为Hads吸脱附位点可以促进H2生成,这使得该催化剂有望替代贵金属铂用作碱性电催化析氢领域。     

C_3N_4-Ti_4O_7-MoS_2复合催化剂界面效应增强电催化析氢性能（英文）

电催化水裂解是目前最有前景的制氢技术之一。二硫化钼(MoS_2)作为最有前途的非贵金属电解水制氢催化剂之一,受有限的催化位点和弱电导率的困扰,迫切地需要被进一步优化。本文采用简单的水热方法构建了C_3N_4-Ti_4O_7-MoS_2异质催化剂,利用活性组分间的界面相互作用,实现了催化剂活性位点的高度暴露、表面电荷的再分布、氢吸附动力学和稳定性的优化,改进了MoS2的电催化析氢性能。结果表明,界面效应赋予C_3N_4-Ti_4O_7-MoS_2催化剂优异的电催化活性,即300 mV的过电位下获得50 mA/cm~2的电流密度以及较低的Tafel斜率(54 mV/dec),长达33 h的析氢反应后仍保持高的催化活性,其电催化析氢性能优于纯MoS_2。结果表明,界面效应作为一种合理改进MoS_2基电催化剂的策略,对开发新型高效制氢电催化剂的发展至关重要。     

非贵金属电催化析氧催化剂的最新进展

氢气具有环境友好、含量丰富、高能量密度等特点,是一种可以替代化石能源的绿色环保可再生能源. 电解水是制备氢气最有效途径之一. 但在电解水过程中,动力学过程非常缓慢,过电位较大的阳极析氧半反应严重限制了阴极析氢反应效率. 因此,研究高效、稳定和低成本的催化剂来降低析氧反应的过电位,从而提高析氢反应效率受到了广泛关注. 基于非贵金属催化剂本身特性及其在高浓度OH-条件下具有较高OER催化活性等原因,本文首先简要介绍碱性条件下析氧反应机理及其性能的评价方法,然后重点讨论非贵金属电催化析氧催化剂的最新研究进展. 最后对如何深入研究催化机理、设计高效、双功能及新型非贵金属电催化析氧催化剂进行了展望.     

碱性介质中氢氧化和析氢反应机理研究现状

氢氧燃料电池和电解水是实现氢能循环利用的两个重要系统,其中氢氧化反应(HOR)和析氢反应(HER)因在碱性介质中的反应速率较酸性介质中慢2至3个数量级,成为阻碍碱性燃料电池与电解水制氢发展的主要瓶颈。深入研究碱性介质中的HOR/HER机理,探究碱性与酸性电解质中HOR/HER活性差异之根本原因,对发展低温碱性能源转化器件具有重要意义。据此,本文综述了近年来碱性介质中HOR/HER机理的相关解释与推论,如双功能机理、氢结合能(HBE)理论与电子效应,及各观点间存在的争议;并从理论计算的角度,介绍了目前电化学界面的理论模拟方法及其在HOR/HER研究中的应用。由于电化学反应系统的复杂性,实验与理论计算的结合有助于理清HOR/HER的机理以及pH效应,并有望应用于指导设计高活性、高稳定性的HOR/HER催化剂。     

二硫化钼析氢电催化剂

电解水与一次可再生能源耦合,可同时提供洁净制氢方式与先进的能源转化技术,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色,而实现这一美好愿景的关键在于研发高活性、低成本的析氢/析氧电催化材料。二硫化钼(MoS₂)是颇具代表性的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,先导性理论预测与材料设计、先进制备与表征技术的应用均在改性研究中发挥了至关重要的作用,这也从一个侧面折射出当代电催化剂的研究模式与发展趋势。本文按照重要发现与进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性、构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从全领域总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望其未来发展趋势。     

一种高效的非晶态Co(OH)2水氧化电催化剂

电催化氧化水包括析氧和析氢两个半反应(OER和HER),而其中合成高效廉价的催化剂则至关重要.合成了在碱性溶液中具有高活性、良好稳定性的非晶态Co(OH)_2纳米材料用于析氧反应催化剂,实验证明该材料的性能可以和商用RuO_2相媲美.与目前商用的RuO_2催化剂相比,非晶态Co(OH)_2材料的塔菲尔斜率较小,仅为67 mV/decade,且经过24 h的电流i-t曲线测试衰减较少.此外,该非晶态Co(OH)_2纳米管的性能优于晶态Co(OH)_2纳米管.因此,非晶态Co(OH)_2纳米材料是一种很有前途的析氧反应催化剂.     

泡沫镍铁合金自支撑NiFeOOH纳米片的制备及析氧性能研究

电催化析氧反应(OER)是电解水制氢的重要半电池反应。然而,OER的缓慢动力学仍需研究高效的电催化剂。在非贵金属催化剂中,NiFe基材料是OER催化剂研究热点。本文通过食人鱼溶液简单一步浸渍刻蚀法将不同Fe含量的泡沫NiFe合金进行氧化,制备了表面具有纳米片形貌的NiFeOOH自支撑电催化剂,并深入研究其电催化析氧性能。通过SEM、XRD、XPS等对电催化剂的形貌结构及成分进行表征,证实了三维多孔基底上NiFeOOH纳米片结构的形成。由于高价镍、铁物种的存在以及二维纳米片结构的生成,NiFeOOH/NF的析氧性能大幅度提高,在10 mA?cm-2的电流密度下过电位仅155.68 mV,Tafel斜率为 88.2 mV?dec-1。这为研制高效、耐用的自支撑非贵金属电极提供了新思路。     

镍铜合金立方体纳米晶的脉冲电沉积及电催化析氢性能

以泡沫镍(NF)为基体, 采用常规脉冲伏安法合成了独立分相的金属Ni, Cu为主晶相、 平均粒径为70 nm的规则立方体结构镍铜合金电催化剂(NiCu/NF). 在电催化析氢反应中, NiCu/NF表现出优良的催化活性和优异的催化稳定性, 在电流密度为10 mA/cm ²时, 在1.0 mol/L KOH溶液中需要的析氢过电位仅为86 mV, 催化24 h的电位波动仅为12 mV. 二级复合纳米立方体结构使NiCu/NF展现出15.5倍于空白NF的电化学活性面积(ECSA), 为电催化反应提供了大量催化活性位点, 也为电极表面的电荷传输、 物质传递提供了充足的通道; Cu的引入以及NiO/Ni异质结的形成改善了邻近Ni原子的活性, 使镍基材料本征析氢活性得以改善, 三者协同促进了NiCu/NF电催化活性的提升. NiCu/NF电极在析氢过程中遵循Volmer-Heyrovsky机理, 反应速率由电极表面吸附氢原子的电化学脱附过程决定.     

基于金属有机骨架前驱体制备纳米磷化镍催化剂

采用镍基金属有机骨架化合物(Ni-MOF)为前驱体,通过低温碳化获得Ni@C,并通过磷化成功地制备了不同结构的磷化镍纳米颗粒。将所得材料应用于析氢反应(HER)催化剂,在Ni@C与红磷质量比为1∶1及热解温度为500℃时获得的Ni1P1-500表现出优异的电催化性能,在酸性介质中,电流密度为10 mA·cm-2时,过电位为178 mV,并展现了良好的循环性能。较小的Tafel斜率(62 mV·dec-1)揭示了析氢反应的机理为Desorption-Heyrovsky机制。优异的电催化性能可归因于磷化镍催化剂表面存在的质子受体(P位点)和氢化物受体(Ni位点)活性中心。     

多壳层中空镍钴双金属磷化物纳米球用于高效电催化析氧北大核心CSCD

析氧反应是金属-空气电池和电解水制氢等电化学系统中关键的反应,研究其高效稳定非贵金属电催化剂至关重要。本文以金属有机骨架化合物(MOF)作为前驱体,通过高温煅烧制备了具有多壳层中空结构的镍钴双金属磷化物(NiCo-P)。这种独特的结构有利于电解液的渗透,能够提供丰富的暴露活性位点和快速传质路径,同时,镍钴双金属具有协同作用促进电化学性能。结果表明,n(Ni)∶n(Co)=1∶10制备的NiCo-P-0.1催化剂在1.0 mol/L KOH电解液中表现出良好的催化活性和稳定性,在10 mA/cm^(2)电流密度的过电势为329 mV,具有良好的应用前景。本工作为高活性和高稳定性的电催化析氧催化剂的制备提供了一种全新途径。     

碳球担载二硫化钴纳米复合电催化剂的制备及其析氢性能研究

采用一步水热法,通过引入载体碳球(CSs)和表面活性剂CTAB,将二硫化钴(CoS_2)纳米颗粒均匀负载在CSs表面.相比于单独的CoS_2,改性后CSs担载的CoS_2(CoS_2/A-CSs)展现出了更好的电催化活性.在电解液为0.5mol/L H_2SO_4溶液中,电流密度为10 mA·cm~(-2)条件下,其析氢反应过电位仅为154 mV.经过12 h的稳定性测试,CoS_2/A-CSs析氢反应过电位为180 mV,这表明其仍具有良好的电化学催化析氢反应活性.这种复合电催化剂的优良性能主要归因于CSs的高导电性和其对CoS_2纳米颗粒的均匀分散;此外,CTAB的引入,促使CSs与CoS_2之间结合的更加紧密,进而加快了活性位点间的电子传导.     

基于铁、钴、镍金属磷化物纳米催化剂的碱性条件下电解水制氢的研究进展

过渡金属磷化物(TMPs)因其导电性好、稳定性高而被广泛认为是电解水析氢反应(HER)的优异电催化材料。 本文主要围绕基于过渡金属Ni、Co、Fe磷化物纳米材料的合成、表征、以及在碱性介质中的电催化HER性能等方面展开。 从中得出结论,在一定范围内,TMPs体系中富磷相越多,其在碱性电解液中的HER活性越高。 为以后的研究提供了方向。