甲醇-H2能源体系的催化研究:进展与挑战

甲醇是优异的储氢化合物,质量储氢密度高达12.5%。甲醇-氢能源体系着力于解决氢能应用中储存和输送的瓶颈问题,助力氢能的推广和应用。甲醇高效高选择性原位产氢是甲醇-氢能源体系中的重要环节。基于此,本文介绍了甲醇制氢催化研究的最新进展和面临的挑战。从甲醇储氢的优势、经济合理性出发,结合笔者自身研究情况,对甲醇储氢-原位制氢的方式、应用形式及重整产氢催化剂的结构和催化机理研究进行了梳理、总结。期望为甲醇-氢能源体系的催化研究提供参考,促进氢能走向实用。     

氨硼烷催化水解制氢

氢气作为全球公认的清洁能源载体,备受关注。寻找安全高效的储氢材料以转型到氢能社会是当前氢能应用面临最大的挑战之一。氨硼烷(NH₃BH₃,AB)具有非常高的储氢质量分数(19.6 wt%)和体积储氢密度(0.145 kgH₂/L),因其在储氢和放氢性能方面的显著优势,被认为是一种颇具应用潜力的化学储氢材料。氨硼烷能够通过热解、醇解和水解放出氢气。其中,氨硼烷水解制氢可以通过催化剂进行可控放氢,且具有反应条件温和、不产生CO(易使催化剂中毒)等优点,被认为是一种安全高效和实用性强的制氢技术。本文简要介绍了氨硼烷的性质和合成,阐述了氨硼烷水解制氢的机理,综述了近年来氨硼烷水解制氢催化剂的研究进展,分析了碱对氨硼烷水解制氢的促进作用,并讨论了水解产物回收利用问题。     

太阳能光催化制氢研究进展

随着人类社会的快速发展和传统能源的急剧消耗,能源紧缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的重要因素,构建清洁的环境友好的可再生新能源体系是当前各国高度关注的焦点和重大战略.在众多绿色环保、可持续新能源选项中,半导体光催化制氢因其可利用清洁可再生的太阳能制取高效清洁氢能,有望完全解决能源紧缺和环境污染问题,成为最有应用前景的技术之一. 本文通过概述半导体光催化制氢原理、半导体光电化学及光电稳定性、半导体光催化制氢效率,重点介绍半导体光催化剂、光生电荷分离及光催化制氢体系等方面若干新进展,并对太阳能光催化制氢技术的发展加以评述和展望.     

苯电催化加氢反应机理研究

氢能因其清洁、高效、丰富，被认为是新世纪最具潜力、无污染、环保型绿色能源。而氢能的开发和利用是以氢能的存储为前提的。开发安全和廉价的储氢技术成为氢能研究的重点之一。传统的液化储存、金属氢化物储氢和高压压缩储氢技术虽相对较成熟，但尚不适合长距离、大规模氢能输送心。液态有机烃作为储氢介质具有储氢量大（6．18～7．19％）、易于输运（与汽油输运类似）及加氢-脱氢可逆性好的特点（可反复循环，稳定～20年），是一类具有潜在应用前景的新型储氢材料。     

含金金属纳米颗粒用于液相化学氢化物催化制氢（英文）

液相化学氢化物以化学键的形式储存氢能,被认为是一类很有前景的化学储氢材料.液相化学氢化物的大规模应用很大程度上依赖于高效催化系统的开发.含金金属纳米颗粒在用于液相化学氢化物催化制氢中表现出优异的催化性能.本文综述了金纳米颗粒和含金异金属纳米颗粒用于液相氢化物催化制氢的最新研究进展.     

金属-氮-氢体系储氢材料

氢能作为未来理想的清洁能源之一,已经成为全球研究的重要领域,而在氢能的应用中最关键的问题是氢气的存储.近年来,人们的研究集中在固态储氢材料上,许多新型储氢材料不断出现,其中由轻元素组成的金属-氮-氢体系拥有储氢容量高、可逆性好等优点,被认为是最有前景的储氢材料之一.目前金属-氮-氢体系已经发展出许多体系,而研究最多的是Li-N-H和Li-Mg-N-H两种体系.本文重点综述了两者作为可逆储氢材料的研究现状,主要从制备方法、储氢性能、反应机理、理论计算和存在的问题等方面进行了讨论,同时指出了金属-氮-氢储氢体系的发展趋势.     

轻金属配位氢化物储氢体系

实现氢能有效利用的关键技术是开发安全、经济、高效的氢能储运体系。在目前所有的储氢技术中,固态材料化学储氢因其储氢密度大、可循环使用、安全方便储运等优势成为人们关注的焦点;配位氢化物储氢材料是现有储氢材料中体积和质量储氢密度最高的储氢材料。其中,具有高储氢密度、储氢性能优良的轻金属配位氢化物储氢材料是配位氢化物储氢领域研究的重点,目前已经取得了大量成果。本文论述了主要轻金属配位氢化物储氢体系的研究进展,包括硼氢化物储氢体系、铝氢化物储氢体系、氨基化物储氢体系等,阐述和总结了其热解反应机理、动力学性能、晶体结构、最新研究现状,最后对该领域的研究方向进行了总结和展望,指出二元或多元复合储氢体系、高效纳米粒子催化剂和储氢反应环境的综合协同效应将会成为储氢领域未来的研究趋势和重要研究方向。     

储氢研究进展

氢能是21世纪主要的新能源之一.作为一种新型的清洁能源,氢的廉价制取、安全高效储存与输送及规模应用是当今研究的重点课题,而氢的储存是氢能应用的关键.储氢材料能可逆地大量吸放氢,在氢的储存与输送过程中是一种重要载体.本文综述了目前所采用或正在研究的主要储氢材料与技术,如高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、化学氢化物储氢、吸附储氢、金属有机骨架储氢等,比较了各种储氢的优缺点,并指出其相关发展趋势.     

含金金属纳米颗粒用于液相化学氢化物催化制氢

液相化学氢化物以化学键的形式储存氢能,被认为是一类很有前景的化学储氢材料。液相化学氢化物的大规模应用很大程度上依赖于高效催化系统的开发。含金金属纳米颗粒在用于液相化学氢化物催化制氢中表现出优异的催化性能。本文综述了金纳米颗粒和含金异金属纳米颗粒用于液相氢化物催化制氢的最新研究进展。     

《氢能源与燃料电池》专辑序言——氢能助力的双碳目标实现

<正>氢能是一种自然界丰富、应用多样性的二次绿色能源，也是实现能源与环境重要议题框架下“碳达峰”和“碳中和”目标的重要载体。当今世界正面临着百年未有之变革，技术革命和产业升级同清洁低碳的绿色能源形成历史性交汇。各国家正全力布局绿色氢能产业，加快以能源结构升级，培育经济新增长点。我国也适时提出氢能产业发展的中长期规划，水分解制氢和燃料电池为基础的氢能应用多重技术的突破，为我国零排放的能源利用实现弯道超车，牢牢把握全球能源与环境发展的大势和机遇。     

面向氢能源、燃料电池和二氧化碳减排的制氢途径的选择

对氢气的多种制造途径加以探讨，也涉及到氢能的利用、燃料电池以及二氧化碳的减排。需要指出的是氢气并非能源，而只是能量的载体。 所以氢能的发展首先需要制造氢气。对于以化石燃料为基础的制氢过程，如煤的气化和天然气重整，需要开发更经济和环境友好的新过程，在这些新过程中要同时考虑二氧化碳的有效收集和利用问题。对于煤和生物质，在此提出了一种值得进一步深入研究的富一氧化碳气化制氢的概念。对于以氢为原料的质子交换膜燃料电池系统，必须严格控制制备的氢气中的一氧化碳和硫化氢；对于以烃类为原料的固体氧化物燃料电池，制备的合成气中的硫也需严格控制。然而，传统的脱硫方法并不适宜于这种用于燃料电池的极高深度的氢气和合成气的脱硫。氢能和燃料电池的发展是与控制二氧化碳排放紧密相关的。     

新型储氢材料及其热力学与动力学问题

氢能作为一种理想的二次能源受到了国内外科研工作者的广泛关注,研制可以在室温和较低压力下方便、安全、高效地储存氢能的材料是氢能发展的瓶颈.到目前为止,固态储氢材料以能量密度高及安全性好等优势被认为极具应用前景,其中以轻质元素构成的氢化物(包括硼氢化物/铝氢化物(可用通式A(MH4)n表示,其中A是碱金属(Li,Na,K)或碱土金属(Be,Mg,Ca);M是硼或铝;n=1～4)、氨基氢化物(如LiNH2等))、氨硼烷(NH3BH3)、金属有机骨架材料(MOFs)是新型储氢材料研究领域的热点,本文将着重就目前这几类储氢材料的研究当中所涉及到的一些热力学及动力学问题进行总结探讨.     

Computational modeling of green hydrogen generation from photocatalytic H2S splitting: Overview and perspectives

Hydrogen plays an important role in developing a clean and sustainable future energy scenario. Substantial efforts to produce green hydrogen from water splitting, biomass and hydrogen sulfide (H₂S) have been made in recent years. H₂S, naturally occurring or generated in fuel gas processing and industrial wastewater treatment, can be split into hydrogen and sulfur via photocatalysis. Although it is not as widely used as water splitting for green hydrogen production, this process is considered to be an appropriate and sustainable way to meet the future energy demands, adding value to H₂S. Therefore, it is essential to understand how to improve the solar light utilization and splitting efficiency of H₂S based on the existing technology and materials. Along with that effort, molecular modeling and theoretical calculations are indispensable tools to provide guidance to effectively design photocatalysts for improving hydrogen generation efficiency. In this review, we summarize the published work on H₂S photocatalysis modeling and illustrate the use of different computational methods to gain more in-depth insight into the reaction mechanisms and processes. Moreover, an overview of quantum mechanical and molecular simulation approaches combined with other modeling techniques, relevant to material science and catalysis design and applicable to H₂S splitting is also presented. Challenges and future directions for developing H₂S splitting photocatalysts are highlighted in this contribution, which is intended to inspire further simulation developments and experiments for H₂S splitting, tailoring photocatalysts design towards highly efficient hydrogen production.     

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。     

Atomic hydrogen production from semi-clathrate hydrates

Atomic hydrogen has received recent attention because of its potential role in energy devices, silicon devices, artificial photosynthesis, hydrogen storage, and so forth. Here, we propose a highly efficient route for producing atomic hydrogen using semi-clathrate hydrates. Two major hydrogen radical sources, derived from guest/host materials, are closely examined.     

Hydrogen in Palladium and Storage Properties of Related Nanomaterials: Size,Shape, Alloying,and Metal-Organic Framework Coating Effects

One of the key issues for an upcoming hydrogen energy-based society is to develop highly efficient hydrogen-storage materials. Among the many hydrogen-storage materials reported, transition-metal hydrides can reversibly absorb and desorb hydrogen, and have thus attracted much interest from fundamental science to applications. In particular, the Pd−H system is a simple and classical metal-hydrogen system, providing a platform suitable for a thorough understanding of ways of controlling the hydrogen-storage properties of materials. By contrast, metal nanoparticles have been recently studied for hydrogen storage because of their unique properties and the degrees of freedom which cannot be observed in bulk, i. e., the size, shape, alloying, and surface coating. In this review, we overview the effects of such degrees of freedom on the hydrogen-storage properties of Pd-related nanomaterials, based on the fundamental science of bulk Pd−H. We shall show that sufficiently understanding the nature of the interaction between hydrogen and host materials enables us to control the hydrogen-storage properties though the electronic-structure control of materials.     

Electrochemical hydrogen storage in porous carbons with acidic electrolytes: Uncovering the potential

Electrochemical hydrogen storage in porous carbon materials is emerging as a cost-effective hydrogen storage and transport technology with competitive power and energy densities. The merits of electrochemical hydrogen storage using porous conductive carbon-based electrodes are reviewed. The employment of acidic electrolytes in such storage systems is compared with alkaline electrolytes. The recent innovations of a proton battery for smaller-scale electricity storage, and a proton flow reactor system for larger (grid)-scale storage and bulk export of hydrogen produced from renewable energy, are briefly described. It is argued that such systems, along with variants proposed by others, all of which rely on electrochemical hydrogen storage in porous carbons, can contribute to the search for energy storage technologies essential for the transition to a zero-emission global economy.     

Photocatalytic hydrogen production

The efficient storage of solar energy in chemical fuels, such as hydrogen, is essential for the large-scale utilisation of solar energy systems. Recent advances in the photocatalytic production of H(2) are highlighted. Two general approaches for the photocatalytic hydrogen generation by homogeneous catalysts are considered: HX (X = Cl, Br) splitting involving both proton reduction and halide oxidation via an inner-sphere mechanism with a single-component catalyst; and sensitized H(2) production, employing sacrificial electron donors to regenerate the active catalyst. Future directions and challenges in photocatalytic H(2) generation are enumerated.     

原位构筑质子化氮化碳/碳化钛光催化制氢肖特基异质结

氢气因其具有高燃烧热、可再生性以及燃烧产物无污染等优势被认为是一种绿色可再生能源,是取代化石燃料的候选能源之一.然而,如何利用自然界中丰富的太阳能和水资源实现光分解水制氢的关键在于开发高效的光催化剂.在尺寸明确、能级带隙匹配的纳米材料间进行完美的界面复合(异质结构筑)是实现高效太阳能-氢能转换的最佳途径.石墨相氮化碳(CN)材料因其电子结构可调和化学性能稳定等特性被光催化界所关注.然而,氮化碳材料较弱的电学性能如电荷传输能力差及电子-空穴对复合率高导致其表现出较低的光催化制氢效率.基于此,我们用盐酸对氮化碳进行质子化处理,使材料表面电荷发生改变,从而实现氮化碳的电子带隙调节和电导率提升.在此基础上,将二维碳化钛原位负载于质子化的氮化碳(PCN)纳米片表面构筑肖特基结.PCN纳米片与碳化钛纳米片间的良好界面接触促进了电荷在材料界面上传输,进而加速了氮化碳材料的电荷分离,实现了氮化碳光催化剂活性的提升.Zeta电位测试结果显示,CN和PCN的表面电位分别为?9.5和27.3 mV,表明质子化处理可以有效改变材料表面电荷,并促其与碳化钛纳米片进行静电组装.该结果进一步得到了扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)的证实.改变表面电荷使氮化碳材料的能带宽度由2.53 eV(CN)减小到2.41 eV(PCN),增强了可见光区吸收.同时,PCN的光电流密度提升了约4倍,电子阻抗和激发态电子的辐射复合都显著降低.将PCN与碳化钛复合制得复合材料(PCN-x,x=10,20,40),实验结果表明5 g的PDN最佳负载碳化钛的量为20 mg(PCN-20).在标准太阳模拟器的可见光区(>420 nm),复合材料PCN-20的光催化水分解产氢量可达2181μmol·g-1,是CN催化剂的约5.5倍,PCN的2.7倍,并且经过5次产氢循环后PCN-20仍具有稳定的氢气释放速率.以上结果表明,氮化碳材料可以通过质子化处理以及与适量的碳化钛复合实现光催化产氢性能的提升,其中碳化钛在体系中起助催化剂的作用.该研究结果可为其他半导体光催化剂的性能优化以及非贵金属助催化剂的研究提供新思路.     

Hydrogen Production on a Hybrid Photocatalytic System Composed of Ultrathin CdS Nanosheets and a Molecular Nickel Complex

The production of clean and renewable hydrogen through water splitting by using solar energy has received much attention due to the increasing global energy demand. We report an economic and artificial photosynthetic system free of noble metals, consisting of ultrathin CdS nanosheets as a photosensitizer and nickel‐based complex as a molecular catalyst. Emission quenching and flash photolysis studies reveal that this hybrid system allows for effective electron transfer from the excited CdS nanosheets to the nickel‐based complex to generate reduced intermediate species for efficient hydrogen evolution. Notably, the unique morphological and structural features of the ultrathin CdS nanosheets contribute to the highly efficient photocatalytic performance. As a consequence, the resulting system shows exceptional activity and stability for photocatalytic hydrogen evolution in aqueous solution with a turnover number (TON) of about 28 000 versus catalyst and a lifetime of over 90 h under visible light irradiation.