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.     

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。     

非晶非贵金属催化剂的研究进展及展望

近年来电解水产氢作为一种具有前景的制备及储存可再生能源的方法受到了各界的广泛关注.在此过程中,电解水催化剂是提高能源转换效率的关键.优秀的催化剂应具备高催化活性、高稳定性、低成本以及可大规模生产等性质.科研工作者对电解水的两部分反应,即析氢反应以及析氧反应均进行了广泛及深入的研究.目前,贵金属催化剂,如铂基、钌基催化剂的催化活性要高于其他元素催化剂,但由于其价格昂贵,储量较少使得贵金属催化剂无法得到大规模应用,因此发展非贵金属催化剂对绿色能源的发展具有重要意义.一般而言,催化剂的结晶度越高,其催化活性越好,而近年来非晶催化剂以其更高的催化活性位密度也越来越受到人们的重视.同时,非晶催化剂的成分更加灵活,相比晶体催化剂来说非晶催化剂可以在更大范围内对成分进行调节.此外,非晶催化剂的制备通常都在较为温和的反应条件下进行,这也能够降低生成成本,促进其工业化发展.在这篇综述里我们介绍了电解水反应的基本原理,总结了近期非晶析氢、析氧以及双功能催化剂的研究进展.并随后探讨了电解水反应目前的难点并对非晶催化剂的制备进行了展望.     

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.     

铱基催化剂在酸性析氧反应中的研究进展

降低对化石能源依赖,实现无碳能源需要构建以可再生能源(如太阳能、风能等)为主体的能源框架.氢气是无碳能源框架下的一种较为理想的能源载体,而电解水制氢技术能够有效制备环境友好的高纯氢气.其中,质子交换膜基(PEM)电解水技术相较碱性电解技术能够实现更高的质子导电性、电解效率、响应速度以及产物气体分离能力,展现出较高的应用价值.然而,由于PEM电解技术工作环境为高腐蚀性的强酸条件,极大限制了催化材料的选择范围.同时,由于PEM电解池的阳极端析氧反应效率远远低于阴极端析氢反应,因此析氧反应作为瓶颈反应决定了PEM电解池的总体工作效率.由于其催化条件同时具有强酸性和强氧化性,目前只有铱基催化剂能够保持较长时间催化活性.二氧化铱(IrO₂)是PEM电解水技术商用析氧催化剂.然而由于铱元素在地球上储量极低(0.001 ppm),因此铱基催化剂的使用严重限制了PEM电解池的大规模应用.为发展PEM电解技术,亟需研制出高活性、高稳定性的新型低铱催化剂来替代IrO₂.本文首先总结了酸性析氧反应的催化机理,并给出了衡量材料催化性能的普适方法.其次,总结了多个课题组利用原位表征技术获得的晶化IrO₂以及无定形IrO_x在不同催化条件下的结构变化,以期了解材料的共性催化特征及影响结构变化的可能因素.再次,进一步重点描述了三类常见低铱催化剂,包括异原子掺杂IrO₂(IrO_x)基催化剂、钙钛矿型铱基催化剂及烧绿石型铱基催化剂,并尝试关联材料结构特征与催化本征性能.最后,介绍了该领域尚未解决的问题与挑战,以期在酸性析氧反应条件下进一步平衡催化材料的催化活性和催化稳定性.     

固体聚合物电解池析氧催化剂

在固体聚合物电解池电解水制氢过程中,阳极析氧反应是整个电化学反应的速率控制步骤。本文从固体聚合物电解池析氧催化剂的反应机理、催化剂材料以及制备方法等几个方面进行了详细分析。新的检测手段已经开始应用于原子层级的析氧反应机理研究,对析氧反应活性中间产物有了更深刻的认识;通过优化传统的制备工艺,开发新型的制备方法,进一步提高了析氧催化剂的活性或者稳定性。此外,引入高稳定性、低成本、高活性的催化载体,亦可提高催化剂的性能并相应地降低其成本。希望通过本文的综述总结,为今后阳极析氧催化剂的研究指明方向,推动固体聚合物电解池的商业化进程。     

水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展

氢能作为零碳排放能源是被公认的最清洁能源之一,如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的问题。电解水技术基于电化学分解水的原理,利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气,被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而,无论是光解水还是电解水,均需要高活性、高稳定性的非贵金属氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。本文介绍了我们研究所近三年在水电解方面的研究进展,其中着重介绍了：（ⅰ）氢析出催化剂,包括利用低温磷化过渡金属（氢）氧化物的方法制备过渡金属磷化物,同时过渡金属硫化物、硒化物以及碳化物等均被成功合成并被应用为有效的阴极析氢催化剂;（ⅱ）氧析出催化剂,主要包括金属磷化物、硫化物、氧化物/氢氧化物等;（ⅲ）双功能催化剂,主要包括过渡金属磷化物、硒化物、硫化物等。最后,总结展望了发展水电解非贵金属催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

酸性环境下析氧反应Ir、Ru贵金属电催化剂的研究进展

水电解法是利用可再生能源生产氢气的最有效、最环保的方法之一。质子交换膜（PEM）水电解槽对可再生能源的储存和转化具有重要意义,与碱性电解水相比,具有设计紧凑、电压效率高和气体纯度高等优点。然而,阳极电催化剂的低效率、不稳定性和高成本阻碍了PEM水电解。许多析氧反应（OER）电催化剂在恶劣的酸性环境下,在OER电位作用下容易发生溶解或表面结构转变,最终导致催化性能急剧下降,因此酸性OER是阻碍PEM水电解槽实际应用的主要因素之一。高效、经济和耐用的电催化剂可降低OER的高动力学势垒,加速其反应动力学。迄今为止,Ir和Ru基纳米材料仍然代表着最先进的催化剂,已经设计和合成了多种先进的贵金属电催化剂,以增强酸性OER性能。本文综述了近5年性能优异的酸性OER新型电催化剂的研究进展。首先,讨论了对酸性OER的基本认识,包括其反应机理。在此基础上,对贵金属Ir、Ru单原子、合金和氧化物等方面综述了贵金属酸性OER电催化剂的设计和合成进展。最后,从反应机理研究和更高效的电催化剂设计等方面对酸性OER的未来发展提出了展望。     

基于过渡金属二硫族化物析氢催化的研究进展

解决全球气候变化和能源危机的有效途径之一是用氢能源(H₂)代替传统的化石能源. 析氢反应(Electrochemical hydrogen evolution reaction, HER) 被认为是绿色环保的可持续产氢途径, 通常电解过程需要催化剂以降低电化学电位, 提高能量利用效率. 目前最先进的催化剂仍然依赖于贵金属, 但是研究表明, 过渡金属二硫族化物(Transition metal dichalcogenides, TMDs)同样具有优异的催化活性, 与贵金属相比, TMDs产量大、 价格低、 催化活性好、 便于调控和修饰, 有望替代贵金属在催化领域的应用. 基于此, 本文讨论了近年来TMDs在析氢方面的研究情况以及TMDs材料的性能调控, 包含原子工程、 相工程和异质结. 并总结和展望了TMDs催化材料的挑战与机遇.     

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。     

Electrosynthesis of CuO Nanocrystal Array as a Highly Efficient and Stable Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction

Electrodeposition of active catalysts on electrodes appears as a convenient approach to prepare non-noble-metal based electrocatalysts with defined micro- and nano-structures. Herein we report a new strategy of fabricating a 3-D hierarchical CuO nanocrystal array (CuO NCA) on Cu foam through a two-step sacrifice-template method. This CuO NCA possesses high conductivity, great stability, and impressive catalytic activity for oxygen evolution reaction (OER) in alkaline electrolytes. The CuO NCA can achieve a high current density of 100 mA/cm\begin{document}$^2$\end{document} at a relatively low overpotential of 400 mV for OER, which shows a better performance than other Cu-based OER catalysts and IrO\begin{document}$_2$\end{document}. The high activity of CuO NCA is well retained during a 10-h OER test at a high current density around 270 mA/cm\begin{document}$^2$\end{document}, which is about 10 times higher than the current density achieved by IrO\begin{document}$_2$\end{document} (around 25 mA/cm\begin{document}$^2$\end{document}) with the same applied overpotential. According to our best knowledge, CuO NCA is currently the most efficient and stable Cu-based electrocatalyst for water oxidation in alkaline electrolytes.     

A Bifunctional Hybrid Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reactions: Nano-Co3O4-Deposited La0.5Sr0.5MnO3 via Infiltration

For rechargeable metal–air batteries, which are a promising energy storage device for renewable and sustainable energy technologies, the development of cost-effective electrocatalysts with effective bifunctional activity for both oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) has been a challenging task. To realize highly effective ORR and OER electrocatalysts, we present a hybrid catalyst, Co₃O₄-infiltrated La_0.5Sr_0.5MnO_3-δ (LSM@Co₃O₄), synthesized using an electrospray and infiltration technique. This study expands the scope of the infiltration technique by depositing ~18 nm nanoparticles on unprecedented ~70 nm nano-scaffolds. The hybrid LSM@Co₃O₄ catalyst exhibits high catalytic activities for both ORR and OER (~7 times, ~1.5 times, and ~1.6 times higher than LSM, Co₃O₄, and IrO₂, respectively) in terms of onset potential and limiting current density. Moreover, with the LSM@Co₃O₄, the number of electrons transferred reaches four, indicating that the catalyst is effective in the reduction reaction of O₂ via a direct four-electron pathway. The study demonstrates that hybrid catalysts are a promising approach for oxygen electrocatalysts for renewable and sustainable energy devices.     

单原子掺杂二硫化钼析氢催化的进展和展望

层状二硫化钼由于具有独特的物理化学特性, 在电化学制氢领域受到广泛关注. 二硫化钼的氢惰性表面导致其在酸性和碱性电解液中的析氢活性都比铂差. 将单原子锚定在二硫化钼中能够有效活化惰性的基面，促使其成为先进的析氢电催化剂. 本文从单原子掺杂的二硫化钼的结构出发, 探讨了单原子在提升活性方面的具体机制, 总结了关于单原子掺杂的二硫化钼的制备方法、 表征手段和最新的研究进展, 以及单原子掺杂所产生的缺陷对于活性提升的重要作用. 最后, 基于单原子掺杂二硫化钼在析氢反应中的最新进展, 总结了该领域中相关催化剂的设计思想和主要挑战.     

Single atom catalyst for electrocatalysis

Single atom catalyst (SAC) refers to a novel catalyst with the active metal atoms individually anchored on the support. Single atom catalysts present the unique appeal due to the high atomic availability and specific activity, as well as the high pathway selectivity. Herein, we summarized the classification, preparation, characterization, and application of single atom catalysts. Finally, the current bottlenecks and the outlooks of the SAC research are discussed.     

利用静电吸引作用提高光催化放氢效率

本文设计合成了两个分别带正电荷和负电荷的Ir(Ⅲ)配合物[Ir(ppy)₂(bpy)]⁺(ppy=2-苯基吡啶,bpy=2,2′-联吡啶)和[Ir(ppy)₂(pbs)]^-(pbs=1,10-菲啰啉-4,7-二苯磺酸钠)作为光敏剂,以[Co(bpy)₃]²⁺为放氢催化剂,比较了Ir(Ⅲ)配合物的光催化放氢效率.发现带负电荷的Ir(Ⅲ)配合物具有更高的光催化放氢效率,带负电荷光敏剂和带正电荷催化剂间的静电吸引可能对放氢效率的提高起到了重要作用.     

具备高效析氢催化效率的三维多孔氮化钒八面体催化剂

随着中国经济和社会的快速发展,能源需求和环境污染问题也日益渐长. 发展和开发高效清洁的新能源燃料可以有效地缓解能源危机和环境污染. 如今,研发高效、环境友好和低成本的催化剂仍是析氢反应的研究重点. 在此项研究中,作者首先通过煅烧处理方式制备了一种三维多孔的氮化钒八面体结构型的催化剂. 该催化剂具备高效的析氢效率,包括较低的过电位94.0 mV（在-10 mA·cm^-2时）,塔菲尔斜率为54.6 mV·dec^-1,以及在酸性条件80小时展现出的优良稳定性,该氮化钒的析氢催化效率优于许多报道过的氮化物,其优良的催化效率可以归因于它独一无二的自身性质和大量的活性位点.     

Catalysis of Mononuclear Aquaruthenium Complexes in Oxygen Evolution from Water: A New Radical Coupling Path using Hydroxocerium(IV) Species

The mechanism of O₂ evolution from water catalyzed by a series of mononuclear aquaruthenium complexes, [Ru(terpy)(bpy)(OH₂)]²⁺, [Ru(tmtacn)(R₂bpy)(OH₂)]²⁺ (R=H, Me, and OMe; R₂bpy=4,4′‐disubstituted‐2,2′‐bipyridines), and [Ru(tpzm)(R₂bpy)(OH₂)]²⁺ (R=H, Me, and OMe), is investigated, where terpy=2,2′:6′,2′′‐terpyridine, bpy=2,2′‐bipyridine, tmtacn=1,4,7‐trimethyl‐1,4,7‐triazacyclononane, and tpzm=tris(1‐pyrazolyl)methane. The kinetics of O₂ evolution is investigated as a function of either the catalyst concentration or the oxidant concentration by employing Ce(NH₄)₂(NO₃)₆ as an oxidant; these catalysts can be classified into two groups that have different rate laws for O₂ evolution. In one class, the rate of O₂ evolution is linear to both the catalyst and Ce⁴⁺ concentrations, as briefly reported for [Ru(terpy)(bpy)(OH₂)]²⁺ (S. Masaoka, K. Sakai, Chem. Lett. 2009 , 38, 182). For the other class, [Ru(tmtacn)(R₂bpy)(OH₂)]²⁺, the rate of O₂ evolution is quadratic to the catalyst concentration and independent of the Ce⁴⁺ concentration. Moreover, the singlet biradical character of the hydroxocerium(IV) ion was realized by experimental and DFT investigations. These results indicate that the radical coupling between the oxygen atoms of a Ru^V?O species and a hydroxocerium(IV) ion is the key step for the catalysis of [Ru(terpy)(bpy)(OH₂)]²⁺ and [Ru(tpzm)(R₂bpy)(OH₂)]²⁺, while the well‐known oxo‐oxo radical coupling among two Ru^V?O species proceeds in the catalysis of [Ru(tmtacn)(R₂bpy)(OH₂)]²⁺. This is the first report demonstrating that the radical character provided by the hydroxocerium(IV) ion plays a crucial role in the catalysis of such ruthenium complexes in the evolution of O₂ from water.     

改性铝土矿载体负载Ru催化剂上的水煤气变换制氢

采用水热法对天然铝土矿进行改性,获得高比表面积的铝土矿(bauxite)载体.用等体积浸渍法制备了Ru含量为1.0%-4.0%(质量分数,下同)的Ru/bauxite催化剂和Ru含量为2.0%的Ru/Al2O3催化剂,以水煤气变换反应为探针反应,考察了催化剂性能.利用X射线荧光元素分析(XRF)、X射线粉末衍射(XRD)、低温N2物理吸附、H2程序升温还原(H2-TPR)以及CO程序升温脱附(CO-TPD)等对载体和催化剂样品进行表征.结果表明,不同Ru含量的Ru/bauxite催化剂具有优异的水煤气变换制氢性能,优于Ru/Al2O3催化剂.其原因是铝土矿本身含有的Fe2O3与负载的Ru之间发生了相互作用,降低了Fe2O3还原温度,提高了对CO的吸附能力且降低了CO的脱附温度,进而提高了催化剂的水煤气变换反应性能.