MOF衍生的分层多孔三维N-CoPx/Ni2P大电流密度下加速析氢

氢气(H2)具有能量密度高、环境友好等优点,是一种很有前景的清洁能源载体.目前,电催化水裂解大规模制氢被认为是一种理想可行的方法.析氢反应(HER)涉及多个步骤,首先形成吸附的氢(Volmer步骤),然后是脱附步骤(Heyrovsky步骤)或两个相邻的吸附氢形成H2(Tafel步骤).与酸性介质相比,碱性介质中的HER...     

优化金属磷化物电催化析氢性能的策略

日益严重的能源危机和环境污染问题使得探索清洁的可再生能源载体及减少对传统化石燃料的过度依赖成为人们面临的一项重要任务.因此,各种可持续能源如太阳能、风能、海洋能和生物质能等得到了广泛研究并取得了一定的进展.然而,这些能源因存在间歇性和不稳定性等缺点阻碍了其实际应用.近年,氢气作为一种能源载体,以其高能量密度和无碳排放的优点引起了人们的广泛关注,被认为是缓解日益严重的污染问题的最有前途的环保能源.对比目前采用的天然气热解和煤炭气化等传统制氢策略,电催化水裂解由于催化效率高,制氢纯度高和不产生温室气体,被认为是高效、环保、可持续的制氢策略.电催化水裂解由两个独立的半反应组成,分别是析氢反应和析氧反应.析氢反应作为水裂解的一个半反应,在降低制氢成本及提高产氢催化效率方面起着关键作用.然而,目前的核心问题之一是要开发高效的析氢电催化剂,以加快反应速度.目前,铂和铂基纳米材料被认为是高效的析氢电催化剂,但是其稀缺性和高成本阻碍了大规模实际应用.金属磷化物由于具有较高的本征活性并且在不同的电解质中都具有良好的电催化析氢性能,被证明是一种优良的析氢电催化剂.此外,与普通催化剂相比,金属磷化电催化剂还具有合成简便、效率高、成本低、省时等优点.本文详细介绍了近年人们在金属磷化物用于电催化析氢研究中取得的进展.首先,介绍了电催化析氢反应机理,金属磷化物的结构及作用,并对其优缺点进行了总结;随后,综述了金属磷化物的合成方法,包括后处理、原位生成和电沉积策略,并对不同方法进行了比较和讨论.此外,从元素掺杂、界面工程、空穴工程、修饰特定载体、构建特定纳米结构、设计双或多金属磷化物和其他发展的新方法等七个方面详细总结了促进金属磷化物电催化活性的多种策略,并进行了对比和讨论.最后,归纳了金属磷化物在电催化析氢应用中存在的问题和面临的挑战,并对未来的研究发展提出了展望.     

碳质与金属催化剂热催化裂解甲烷产氢研究进展

甲烷裂解制氢方法具有产氢纯度高和清洁无污染的特点,被认为是当前最有前景的制氢方法之一.现阶段甲烷裂解制氢的研究工作主要集中于制备活性与稳定性兼备的催化剂.我们综述了近年来甲烷裂解制氢反应中碳质催化剂和金属催化剂两大系列催化剂的研究进展,从载体、活性组分、助剂3个方法对目前催化剂裂解甲烷产氢性能的影响进行了系统分析,总结了反应机理和催化剂的失活与再生情况,在以上基础上对催化剂未来的发展趋势进行了展望.     

电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）

对化石能源的依赖所造成的环境污染和能源危机在全球引起了广泛的关注.氢能由于其高能量密度、低分子质量以及清洁无污染的优点,被认为是人类根本性解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢的重要方法,是现代清洁能源技术的重要组成部分.水电解由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应构成.对于HER反应,其反应是基于二电子转移过程,反应过程相对容易进行.相比于HER反应,OER反应涉及四电子转移及氧-氧键形成,其反应动力学缓慢,是影响水电解效率的主要原因.因此,为了提高电解水制氢的能量转化效率,发展OER电催化剂成为水电解制氢技术的关键.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量地研究及报道并取得了长足发展.在这些催化剂中,金属磷化物和硫化物不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性方面正趋接近甚至超越RuO_2和IrO_2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文总结磷化物和硫化物作为OER电催化剂的研究进展,重点介绍了磷化物和硫化物性能提升策略及其在OER过程中催化反应活性位的变化.本文首先介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,讨论了析氧反应在动力学和热力学过程的主要障碍.通过对大量文献的归纳,本文分别综述了磷化物和硫化物的化学性质、合成方法和催化性能,介绍了近年来磷化物和硫化物的重要研究进展.通过分析催化剂导电性、质子传输、活性面积、界面化学等因素对催化析氧反应的影响,总结了磷化物和硫化物电催化OER性能提升的策略.由于磷化物和硫化物在OER强氧化条件下,电催化剂表面的成分、物相及结构均会发生显著变化,进而催化反应活性位也会发生相应改变.本文综述了磷化物和硫化物在OER反应过程前后表面组分的变化,探讨了磷化物和硫化物作为OER电催化剂的活性组分,为进一步提高磷化物和硫化物的电催化析氧反应性能提供了崭新的思路.     

原位组装在碳纸上的有机金属骨架材料衍生的NC/Co/CoP催化剂用于碱性环境水分解（英文）

随着世界工业经济的发展,作为不可再生能源的化石燃料消耗日趋增大并带来严重的环境污染.氢能具有能量密度高、燃烧无污染等优点,被认为是替换传统化石燃料的理想能源之一.通过电化学方法实现水裂解制氢是既满足环境要求又符合氢气生产需要的一种潜在有效方法,受到人们广泛关注.基于铂、钌等贵金属的电催化剂在水裂解中具有很高的活性,然而其稀缺性和高成本是阻碍其大规模实际应用的重要因素.水裂解制氢包括二电子转移的质子还原和四电子转移的水氧化两个过程.相对于质子还原,水氧化反应动力学过程缓慢,是决定水裂解速率的关键.通常,质子还原反应倾向于在酸性条件下进行,而水氧化反应在碱性环境下更有利,反应条件的差异阻碍了水裂解制氢的发展.因此,制备在碱性环境下具有高催化性能、高稳定性和低成本的催化剂是促进水裂解制氢能源技术进一步发展的关键.金属有机骨架(MOF)衍生的复合催化剂具有良好的催化性能和广阔的应用前景,在催化反应中得到越来越多的重视.传统的催化剂组装方式是通过全氟磺酸聚合物等辅助剂将催化剂组装到工作电极上,这些辅助剂具有较强的酸性,而且会覆盖催化剂表面的催化活性位点,降低催化剂比表面积,阻碍催化剂活性的进一步提升.本文通过电泳的方法,将ZIF-67负载到碳纸上,进一步通过碳化、部分磷化过程得到NC/Co/Co P/CP催化电极.研究发现,在碱性环境(1 mol/LKOH)下,催化电流达到10 m A/cm^2的析氢过电位只有208 m V,析氧反应的过电位为350 m V,在二电极体系中所需的电压也只有1.72 V,催化活性明显高于通过传统方法组装的电极.在长时间的电化学稳定性测试中,经过20h的电流测试和1000次的CV测试后,该电极的催化活性没有明显下降.我们报道了一种基于MOF材料的复合电极组装新方法,为MOF材料在能源储存与转化领域应用提供了新思路.     

MoSe2纳米片耦合Pt纳米颗粒用于高效双功能催化甲醇辅助水电解制氢(英文)

化石燃料的大量消耗所带来的全球性挑战推动人们大力发展清洁和可持续的能源.氢能作为一种绿色、无污染的能源载体,是能源向绿色经济转换的关键,而利用可再生能源进行的电解水制氢被认为是实现绿色制氢的最佳选择.然而由于析氧反应(OER)的氧化电位(1.23 V)较高,动力学缓慢,实际水电解需要更多的能量输入.具有低氧化电位的甲醇辅助水电解(0.016 V)可以匹配可再生能源实现低能耗电解制氢,受到了广泛关注.开发高效的用于催化甲醇氧化(MOR)和析氢反应(HER)的双功能催化剂是实现这一愿景的前提.传统的Pt基催化剂容易受到阳极侧MOR过程中产生的CO中间体毒化,严重影响甲醇辅助水电解制氢的效率.为了提升Pt基催化剂的催化活性和稳定性,一种有效的策略是引入合适的功能组分来促进催化反应.例如,贵金属颗粒和亲氧化成分(如过渡金属氧化物和磷化物)之间的金属-载体相互作用可以有效提高Pt基催化剂的抗CO中毒能力.过渡金属硒化物由于其优良的金属性和亲氧性作为催化促进剂受到越来越多的关注.硒化钼(MoSe₂)具有良好的稳定性和导电性并且其2H相中的不饱和边缘具有水活化和解离活性,同时其...     

半导体光催化分解水的析氢效率研究

光催化水制氢是太阳能向氢能转化的有效途径,在清洁能源利用方面具有较大的潜力。光催化产氢过程主要包括光生电子和空穴对的产生、迁移以及在表面活性位点的氧化还原反应,在此过程中由于电子-空穴对的复合以及催化剂的结构和表面活性位点的局限,导致电子和空穴不能完全迁移到催化剂表面并参与氧化还原反应,从而降低了析氢效率。因此本文以抑制光生电子-空穴对复合及增加表面活性位点为目的,从调控催化剂微观特性和外在属性两方面入手,分析总结了目前常见的半导体催化剂粒径、形貌、晶面、表面活性位点调控手段以及异质结构建和助催化剂负载的方法,探究了上述因素对催化剂析氢效率的影响途径和方式,从中归纳出提升析氢效率的办法。最后对光催化制氢的未来研究方向进行了展望,希望以此为光催化产氢效率的提高提供借鉴。     

负载无定型钌纳米簇的原子级钴掺杂一维碳纳米笼增强析氢催化性能

析氢反应是电解水产制氢的关键反应之一.在碱性条件下,由于催化剂表面与反应过程中产生的氧物种、氢物种与催化剂的吸附未处于最佳状态,析氢反应动力学往往比较缓慢,比在酸性条件下慢2-3个数量级.目前,铂基纳米催化剂被认为是最优的析氢催化剂,但因价格昂贵、稳定性较差,限制了其在电解水器件上的大规模应用.因此,设计一种价格较为低...     

过渡金属磷化物纳米材料催化尿素电解制氢研究进展

电解水制氢技术操作简单、产物纯度高,是一种前景广阔的绿色制氢方式.然而,阳极析氧反应(OER)具有较高的热力学电势和缓慢的动力学,严重阻碍了电解水制氢技术的大规模工业应用.近年来,人们发现利用较低热力学电势的尿素氧化反应(UOR)取代阳极OER能够同时实现氢气的节能生产和尿素废水的净化.但这种技术的挑战在于尿素电解过程...     

结晶度度调控硼硼酸镍电催化析氧氧性能

<正>氢能是是一种理想的的能源载体,具有能量密密度高、可循环环利用、绿色色环保等优点点。电解水制制氢因原料来源源广泛、操作作简便、产品品纯度高、无无污染等优点已已成为最具有有应用前景的的制氢方法之之一。其主要能耗耗为电能,占整个制氢成成本的80%左左右。电解水过程程中,阳极析氧反应(OER)比其阴极析析氢反应(HER)的动力学要缓慢得多,过电位比HER     

泡沫镍上电沉积花瓣状NiFeOxHy/rGO用于析氧反应

开发碱性体系的高效低成本析氧电催化剂是由可再生能源转化制氢的关键。本研究通过在泡沫Ni基底上原位电化学沉积的方法制备了花瓣状NiFeO_xH_y和NiFeO_xH_y/rGO复合催化剂用于析氧反应。花瓣状的结构不仅明显提高了催化剂的比表面积,而且暴露了更多的层状边缘和缺陷,进而增加了催化剂的活性中心。还原氧化石墨烯的加入进一步提升了催化剂的电导和析氧电催化性能,通过优化NiFeO_xH_y/rGO在1 mol/L KOH溶液中的析氧性能为：过电位200 mV（10 mA/cm²）、Tafel斜率29.11 mV/decade,并且保持了较好的稳定性。     

NiS-Ni3S2树状异质结阵列在析氧反应中的应用

在过去的几十年里,数以万计化石能源的开发和利用导致了一系列的环境问题,例如温室效应和水污染等。许多应对的策略被提出以应对环境问题,可再生氢气是其中一个最为瞩目的能源。而在其中,电解水是为了获得可在生氢气最为环保的方案。在阳极发生反应过于低效则限制着这项技术的发展,所以研究开发高效的阳极电催化剂变得尤为重要。在本文中,我们通过一步水热法合成了一种直接生长在泡沫镍基地的NiS-Ni₃S₂树状异质结阵列。这个材料在实际电解水的阳极反应中表现出巨大的潜能,表现出高效的电催化性能和超强的稳定性能。NiS-Ni₃S₂树状异质结阵列比纳米棒状Ni₃S₂表现出更好的性能。因为其拥有更高的比表面积和NiS-Ni₃S₂之间协同效应展现。NiS-Ni₃S₂树状异质结阵列的高性能也可能是因为其紧密地与泡沫镍基地连接,拥有较好的电子传输路径。同时,在反应的过程中,一些羟基氢氧化镍的产生也有利于催化效果的提升。毫无疑问,NiS-Ni₃S₂树状异质结阵列作为电解水的阳极催化剂拥有极大的前景。     

Single-atom Fe Embedded Co3S4 for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction

Constructing atomically dispersed active sites with densely exposed and dispersed double metal-S_x catalytic sites for favorable OER catalytic activity remains rare and challenging. Herein, we design and construct a Fe₁S_x@Co₃S₄ electrocatalyst with Fe single atoms epitaxially confined in Co₃S₄ nanosheets for catalyzing the sluggish alkaline oxygen evolution reaction(OER). Consequently, in ultralow concentration alkaline solutions(0.1 mol/L KOH), such a catalyst is highly active and robust for OER with low overpotentials of 300 and 333 mV at current densities of 10 and 30 mA/cm², respectively, accompanying long-term stability without significant degradation even for 350 h. In addition, Fe₁S_x@Co₃S₄ shows a turnover frequency(TOF) value of 0.18 s⁻¹, nearly three times that of Co₃S₄(0.07 s⁻¹), suggesting the higher atomic utilization of Fe single atoms. Mössbauer and in-situ Raman spectra confirm that the OER activity of Fe₁S_x@Co₃S₄ origins from a thin catalytic layer of Co(Fe)OOH that interacts with trace-level Fe species in the electrolyte, creating dynamically stable active sites. Combined with experimental characterizations, it suggests that the most active S-coordinated dual-metal site configurations are 2S-bridged (Fe-Co)S₄, in which Co-S and Fe-S moieties are shared with two S atoms, which can strongly regulate the adsorption energy of reaction intermediates, accelerating the OER reaction kinetics.     

One-step synthesis of Fe-Ni hydroxide nanosheets derived from bimetallic foam for efficient electrocatalytic oxygen evolution and overall water splitting

For the first time, the Fe-Ni LDH nanosheets were prepared through simple one-step hydrothermal treatment of Fe-Ni bimetallic foam both as the substrate and Fe/Ni sources. The ratio of Ni/Fe elements played the important role in realizing the optimal catalytic activities for oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER). An alkaline water electrolyzer was constructed with the Fe-Ni hydroxide nanosheets/Fe-Ni alloy foam-60% Fe as anode and Ni(OH)₂/Fe-Ni alloy foam-25% Fe as cathode, which displays superior electrolytic performance (affording 10 mA/cm² at 1.62 V) and lasting durability.     

"三明治夹心"型Ni-P@Ni-B/Ni电极的制备及高效全pH下的催化制氢性能

通过化学镀法制备了具有“三明治夹心”结构的Ni-P@Ni-B/Ni催化电极. 该催化材料为直径1 μm左右的微球. 电化学性能测试结果表明, 在电流密度为10 mA/cm ²时, 其在0.5 mol/L PBS缓冲液(pH=7)中的过电位仅为287 mV, 在此电位下连续工作24 h后, 电流密度仅衰减了7.6%. 同时Ni-P@Ni-B/Ni在酸性(0.5 mol/L H₂SO₄)和碱性(1 mol/L KOH)条件下也具有优异的析氢反应催化活性, 达到相同电流密度时过电位分别为199和79 mV. 该工作为全pH环境下高效电解水制氢提供了新思路.     

Co诱导双位点协同效应实现高效肼电催化氧化

作为一种重要的能量载体,肼(N2H4)具有能量密度高、反应动力学快、常温下呈液态和燃烧无含碳副产物生成等优点,因此,肼电氧化反应(HzOR)成为解决能源危机以及相关环境问题的理想选择之一.与传统的氢和醇基燃料电池相比,直接肼燃料电池(DHFC,N2H4/O2,Eocp=1.56 V)更适合实际应用.然而,DHFC受到H...     

钴钒水滑石纳米片用于电催化尿素氧化

电解水是一种常用的制氢方法,但高能耗的阳极析氧反应(OER)阻碍了其应用。尿素氧化反应(UOR)具有较低的热力学电势,是最有前景的OER替代反应之一。过渡金属基水滑石具有独特的层状结构和层间阴离子可交换等优点,被认为是性能优异的UOR催化剂,然而目前大多数研究主要聚焦于后过渡金属元素。该研究通过一步法制备了具有前/后过渡金属的CoV-LDHs纳米片。与相同方法制备的Co(OH)₂相比,CoV-LDHs纳米片具有以下优点：1)纳米片结构有利于暴露更多的活性位点。2) V的引入增强了CoV-LDHs的亲水性,提高了其本征电催化动力学。3) Co (3d⁷4s²)和V (3d³4s²)之间的d-电子补偿效应有利于促进尿素的吸附。因此,CoV-LDHs仅需要1.52 V (vs. RHE) 就可以达到10 mA∙cm⁻²的电流密度,比Co(OH)₂低了70 mV,同时CoV-LDHs较低的塔菲尔斜率表明了其较快的反应动力学。此外,CoV-LDHs在连续反应10 h后,驱动电位几乎没有增加,表明其具有良好的稳定性。该研究结果不仅证明了前/后过渡金属之间的d-电子补偿效应可以提高UOR催化性能,还为设计高效的UOR催化剂提供了可行的途径。     

用于电化学水氧化的铁、镍、钴金属及其二元金属纳米颗粒比较研究

从环境兼容角度来设计应用于氧析出反应的电催化剂是否有效、耐用和廉价对能源转化过程至关重要. 本文报告了一种快速制备低成本、原料丰富的金属催化剂制备方法。通过一步电化学沉积法在钛金属基材上制备了铁、镍、钴金属及其钴镍、钴铁二元金属纳米颗粒. 采用场发射电子显微镜 (FE-SEM), 能量散射X-射线能谱 (EDX), X-射线衍射光谱 (XRD), X-射线光电子能谱 (XPS)和电化学技术对制备的不同纳米颗粒进行了表征. 电化学结果显示,在合成的五种钛基金属纳米催化剂中, 钛基上沉积钴金属纳米颗粒(Ti/Co)电极在0.l mol·L^-1氢氧化钾溶液中氧析出反应的电催化活性最好,0.70 V(相对于银/氯化银电极)的电流密度为10.0 mA·cm^-2. 经优化后Ti/Co电极的过电位(η)很小,当电流密度为10.0 mA·cm^-2时η为0.43 V,质量活性高达105.7 A·g^-1,逆转频率(TOF)值为1.63×10^-3 s^-1, 这些与当前最好的碳载铂(Pt/C)和氧化钌(RuO₂)电催化剂的性能相当. 此外,通过计时电位技术对优化后Ti/Co电极的耐久性进行了测试, 发现该电极在碱性溶液中氧析出反应的稳定性良好. 本工作制备的钛金属基材上电化学沉积金属钴纳米颗粒具有高催化活性、高稳定性、原料来源丰富、廉价且易于大规模生产,在工业化水分解领域具有潜在的应用前景.     

三元镍基硫属化物纳米棒阵列的简单合成及其高效的电催化析氧性能北大核心CSCD

通过一步溶剂热法成功合成了泡沫镍(NF)支撑的三元镍基硫属化物(Ni_(3)(Se_(x)S_(1−x))_(2))纳米棒阵列。结构表征结果表明,所得三元Ni_(3)(Se_(x)S_(1−x))_(2)纳米棒属于三方物相,在泡沫镍基底上形成了有序的阵列结构。由于其快速的载流子传输效率、丰富的活性位点和多阴离子的协同效应,Ni_(3)(Se_(0.3)S_(0.7))_(2)/NF纳米棒阵列具有最佳的电催化性能。在1.0 mol/L的KOH溶液中,电流密度为50 mA/cm2时,过电势仅为344 mV,塔菲尔斜率为40.17 mV/dec,同时具有优异的电化学稳定性。更重要的是,以商用Pt/C为阴极,Ni_(3)(Se_(0.3)S_(0.7))_(2)/NF纳米棒阵列为阳极进行全分解水实验,仅需要1.49 V的电池电位即可提供10 mA/cm2的电解电流,表现出良好的电解水效果。该研究为电解水技术领域提供了一种高效的电催化剂,也为电化学能源技术中非贵重电催化剂的合理构建提供了有价值的见解。     

Hydrothermal Synthesized Co-Ni3S2 Ultrathin Nanosheets for Efficient and Enhanced Overall Water Splitting

We used the one-step hydrothennal controlled synthesis method for Co-Ni3S2 ultrathin nanosheets grown directly on nickel foam(NF).The as-synthesized Co-Ni3S2/NF showed eiilianced activities in the hydrogen evolution reaction(HER),oxygen evolution reaction(OER)and better overall water splitting(OWS)efficiency than the iin-doped Ni3S2/NF.the voltage of Co-Ni3S2/NF for OWS was only 1.58 V at the current density of 10 niA/cm^2 and with long time(>30 h)current output during the current-density(i-t)test.The good i-t pertonnance was also observed in both HER and OER processes.Additionally,the Co-Ni3S2/NF showed a large current density(>1A/cm^2)for both HER and OER.Wlien the current densities reached 100 and 1000 mA/cm^2,the required overpotentials tor Co-Ni3S2/NF were 0.35 and 0.75 V for OER and 0.30 and 0.85 V for HER.Therefore,after introducing Co,the activity of Ni3S2-based material was strongly enhanced.