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相似文献
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1.
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.  相似文献   

2.
研究高活性和稳定性的非贵金属基析氢催化剂对解决当前能源危机和环境污染问题具有重要意义.碳化钨具有与贵金属Pt类似的d带电子结构,因而成为一类新兴的非贵金属析氢催化剂,受到广泛关注.磷掺杂是提高催化剂析氢活性的有效方法之一,然而目前最常见的构筑磷掺杂方法是使用多金属氧酸盐(POMs,如H3PW12O40),其固定的W/P原子比导致W2C中的掺杂浓度难以调控,并且磷掺杂主要是进入碳载体而不是碳化物本身,从而导致无法明确杂原子对其电催化析氢活性的贡献.本文采用植酸(PA)为磷源设计合成了可控磷掺杂W2C纳米颗粒,并探讨了催化剂组分、杂原子掺杂位置与析氢性能之间的关系.深入研究了磷掺杂碳化钨(WCP)的化学结构和析氢活性.与原始的W2C催化剂相比,WCP具有更高的本征活性、更快的电子转移速率和更多的活性位数量,并且在酸性和碱性条件下均表现出较好的析氢性能.特别是过电位为-200 mV时,WCP催化剂的本征活性在酸性和碱性条件下分别为0.07和0.56 H2 s-1,高出纯W2C(0.01和0.05 H2 S-1)数倍.同时,在电流密度为-10 mA cm-2时,优化后的WCP催化剂在酸性和碱性条件下的析氢过电位分别降低了96和88 mV.XPS及EDS元素分析结果表明,随磷源添加量增加,磷掺杂从碳化钨表面逐渐向内部扩散,进一步说明磷取代位置与析氢活性之间的构效关系,高浓度的表面磷取代可以加速质子捕获过程,从而显著提高其析氢活性,而过量的内部磷取代会破坏W2C结构,降低电子转移速率,从而导致析氢性能下降.利用密度泛函理论计算深入研究了WCP具有较好析氢性能的原因,与内部磷取代相比,表面磷取代会使碳化钨表现出更合适的氢吸附自由能,并且更加有效地降低了氢释放势垒,从而优化了析氢反应动力学.综上,本文为元素掺杂工艺提供了新的思路,同时研究了表面异质原子对析氢活性的关键作用,为该类催化材料的构效关系研究提供了新思路.  相似文献   

3.
研究高活性和稳定性的非贵金属基析氢催化剂对解决当前能源危机和环境污染问题具有重要意义.碳化钨具有与贵金属Pt类似的d带电子结构,因而成为一类新兴的非贵金属析氢催化剂,受到广泛关注.磷掺杂是提高催化剂析氢活性的有效方法之一,然而目前最常见的构筑磷掺杂方法是使用多金属氧酸盐(POMs,如H3PW12O40),其固定的W/P原子比导致W2C中的掺杂浓度难以调控,并且磷掺杂主要是进入碳载体而不是碳化物本身,从而导致无法明确杂原子对其电催化析氢活性的贡献.本文采用植酸(PA)为磷源设计合成了可控磷掺杂W2C纳米颗粒,并探讨了催化剂组分、杂原子掺杂位置与析氢性能之间的关系.深入研究了磷掺杂碳化钨(WCP)的化学结构和析氢活性.与原始的W2C催化剂相比,WCP具有更高的本征活性、更快的电子转移速率和更多的活性位数量,并且在酸性和碱性条件下均表现出较好的析氢性能.特别是过电位为-200 mV时,WCP催化剂的本征活性在酸性和碱性条件下分别为0.07和0.56 H2 s-1,高出纯W2C(0.01和0.05 H2 S-1)数倍.同时,在电流密度为-10 mA cm-2时,优化后的WCP催化剂在酸性和碱性条件下的析氢过电位分别降低了96和88 mV.XPS及EDS元素分析结果表明,随磷源添加量增加,磷掺杂从碳化钨表面逐渐向内部扩散,进一步说明磷取代位置与析氢活性之间的构效关系,高浓度的表面磷取代可以加速质子捕获过程,从而显著提高其析氢活性,而过量的内部磷取代会破坏W2C结构,降低电子转移速率,从而导致析氢性能下降.利用密度泛函理论计算深入研究了WCP具有较好析氢性能的原因,与内部磷取代相比,表面磷取代会使碳化钨表现出更合适的氢吸附自由能,并且更加有效地降低了氢释放势垒,从而优化了析氢反应动力学.综上,本文为元素掺杂工艺提供了新的思路,同时研究了表面异质原子对析氢活性的关键作用,为该类催化材料的构效关系研究提供了新思路.  相似文献   

4.
硫化钼是析氢反应(HER)有前途的电催化剂. S-或Mo物种均被认为是形成吸附氢触发HER反应的活性位, 但Mo中心和S配体间相互作用的本质仍不清楚. 另外, 采用中性的水作为质子源用于产氢, 来开发低成本的水裂解催化剂体系为研究者高度关注, 但人们很少研究中性水条件下HER反应的机理. 本文采用原位电化学Raman光谱对所合成的硫化钼中Mo-Mo和S-S物种在中性条件下的结构变化进行了监测. 结果显示, 归属于端位S-S物种的谱带随着Mo-Mo, Mo3-μ3S和Mo-S振动谱带频率而同步变化, 表明Mo-Mo键与端位S-S键起着协同作用, 从而有利于氢气的生成. 这可能是通过三核Mo3-μ3S物种的内部重组而确认的. 本文所揭示的HER反应中金属-配体相互作用的本质与作用表明了一个不同的反应机理, 而以往的机理认为, S或Mo活性位独立起作用而促进HER反应的进行.  相似文献   

5.
硫化钼是析氢反应(HER)有前途的电催化剂.S-或Mo物种均被认为是形成吸附氢触发HER反应的活性位,但Mo中心和S配体间相互作用的本质仍不清楚.另外,采用中性的水作为质子源用于产氢,来开发低成本的水裂解催化剂体系为研究者高度关注,但人们很少研究中性水条件下HER反应的机理.本文采用原位电化学Raman光谱对所合成的硫化钼中Mo–Mo和S–S物种在中性条件下的结构变化进行了监测.结果显示,归属于端位S–S物种的谱带随着和Mo–S振动谱带频率而同步变化,表明Mo–Mo键与端位S–S键起着协同作用,从而有利于氢气的生成.这可能是通过三核物种的内部重组而确认的.本文所揭示的HER反应中金属-配体相互作用的本质与作用表明了一个不同的反应机理,而以往的机理认为,S或Mo活性位独立起作用而促进HER反应的进行.  相似文献   

6.
可持续能源电解水制氢是实现零碳排放氢经济的有效途径。碱性环境下的电催化析氢反应(HER)是电解水技术主要的能量转换过程之一。开发高活性、低成本的非贵金属催化剂是碱性电解水析氢反应的关键所在。本研究以壳寡糖为保护剂,采用简单易行的化学还原法制备了纳米NiB非晶合金电催化剂并用于碱性析氢反应。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体分析(ICP)和X射线光电子能谱(XPS)等多种表征方法研究了不同条件下获得的催化剂结构组成及特征物性参数。结果表明,壳寡糖的加入可以有效调控纳米粒子的平均粒径为4 nm左右,提升活性比表面积,增加活性位点,从而提高其电催化活性。所制备的NiB-COS在1.0 mol/L NaOH中表现出优异的HER性能,析氢反应起始过电位仅为15.1 mV,在电流密度为10 mA/cm2时HER过电位为49.4 mV,Tafel斜率为86.1 mV/dec,为制备高活性、低成本、简单易得的HER电催化剂提供了重要策略。  相似文献   

7.
泡沫镍载碳化钨催化剂上的析氢反应   总被引:1,自引:0,他引:1  
吴梅  魏子栋  沈培康 《催化学报》2007,28(4):307-311
结合直接化学还原法和交替微波法制备了泡沫Ni载Ni-WC催化剂,用X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对催化剂进行了表征,研究了其析氢电催化性能.结果表明,在相同条件下,泡沫Ni载Ni-WC催化剂的析氢起始电位与泡沫Ni相比降低了60 mV左右.电解质浓度和温度对泡沫Ni载Ni-WC催化剂的析氢电催化活性有很大影响.  相似文献   

8.
本文采用离子快速注入法,在低温条件下利用微量NiO物种对TiO_2光催化剂表面微结构进行了修饰和改性,构建了NiO光催化反应活性中心。研究结果表明,Ni物种是以TiO_2-NiO-H形式存在于TiO_2表面;相对于未修饰的TiO_2光催化剂,NiO的修饰很大程度上提高了其光催化析氢性能,在最佳条件下,放氢速率由1.1μmol·h~(-1)提高到241.4μmol·h~(-1)。另外,Ni物种含量,热处理温度,乙醇电子给体浓度,催化剂悬浮浓度对光催化析氢性能也有明显的影响。光电化学实验结果表明,NiO的表面修饰能够产生有效的光催化反应活性中心,增强了光生电子-空穴电子对的分离效果。所制备的光催化剂采用X射线粉末衍射(XRD),光电子能谱(XPS)等技术进行表征。  相似文献   

9.
非晶非贵金属催化剂的研究进展及展望   总被引:1,自引:0,他引:1  
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.  相似文献   

10.
 利用1H MAS NMR技术,在甲烷部分氧化(POM)制合成气反应条件下研究了Rh/SiO2催化剂上氢与金属的相互作用及反应机理. 结果发现,氢气在Rh/SiO2上解离吸附后可能有四种存在形式: 化学位移为δ=-100~-120的可逆(αM)和不可逆(αI)吸附氢物种,δ=0~-100的“氢云”或“氢雾”形式的氢物种和δ=3.0的溢流氢物种. 溢流氢物种是由可逆吸附的氢物种和“氢云”或“氢雾”状态的氢物种溢流到SiO2上并弱吸附在桥式氧(Si-O-Si)附近而形成的. 溢流氢物种活化晶格氧,形成一种POM反应的活性氧物种OH-. 活性氧物种OH-反溢流到Rh上,并与CH4解离吸附在Rh上的CHx物种反应生成含氧中间物种CHxO. CHxO物种的化学位移为5~7. O2参与CHxO物种的进一步氧化,或补充溢流氢夺取桥式氧后形成的缺陷位上的晶格氧,在高温(973 K)反应条件下,O2可能优先补充缺陷位上的晶格氧,使CHx的氧化按表面反应机理进行.  相似文献   

11.
A challenging but urgent task is to construct efficient and robust hydrogen evolution reaction(HER) electrocatalysts for practically feasible and sustainable hydrogen production through alkaline water electrolysis. Herein we report a simple and mild pyrolysis method to synthesize the efficient Ru nanoparticles(NPs) supported on Co-embedded N-doped carbon nanotubes(Ru/Co-NCNTs) catalyst for HER in basic media. The Ru/Co-NCNTs display remarkable performance with a low overpotential of only 35 mV at 10 mA/cm2, a small Tafel slope(36 mV/dec), and a high mass activity in 1 mol/L KOH, which is superior to commercial 20% Pt/C catalyst. This excellent performance is benefited from the enhanced conductivity of N-doped carbon nanotubes(NCNTs) and high intrinsic activity triggered by synergistic coupling between Ru NPs and Co-embedded N-doped carbon nanotubes(Co-NCNTs).  相似文献   

12.
本文通过分步还原Ru、Pt前驱体,制备了以Ru为核、PtRu合金为壳的Ru@Pt0.24Ru纳米花电催化剂,其平均直径为16.5±4.0 nm. 利用高分辨电子显微镜、电感耦合等离子体原子发射光谱和X射线光电子能谱等表征了这种电催化剂的结构和组成. 在1 mol·L -1 KOH水溶液中,核壳结构Ru@Pt0.24Ru/C纳米花氢析出反应的过电位为22 mV(@10 mA·cm -2),耐久性测试后过电位增加至30 mV(@10 mA·cm -2),明显优于商业Pt/C电催化剂(初始值:60 mV@10 mA·cm -2,耐久性测试后:85 mV@10mA·cm -2). 显著提高的电化学活性可能源于核壳结构Ru@Pt0.24Ru纳米花的电子效应和几何效应,耐久性的改善可能源于核壳结构Ru@Pt0.24Ru纳米花结构的稳定性.  相似文献   

13.
The utilization of noble-metal catalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) provides an efficient strategy for hydrogen acquisition. However, exploring catalysts with suitable hydrogen binding strength for the HER process is always of great importance, but extremely challenging. In this work, sulfur and phosphor as electron-withdrawing elements were incorporated into carbon nanotube (CNT)-supported Ru catalysts, which were prepared through a facile solution reduction reaction and post thermo treatment. Owing to the suitable electronegativity provided by P and synergistic effects of the carbon nanotubes, the RuP2/CNT achieved a high catalytic performance as a HER electrocatalyst. This may result from the modulation effect of the electronic properties and the depressed adsorption free energy of RuP2. Electrochemical tests present that the RuP2/CNT composite exhibit a small overpotential of 58 mV at 10 mA cm−2 in acidic electrolyte. In a neutral or alkaline environment, the overpotential is 82 and 40 mV, respectively. The RuP2/CNT electrode also possesses stable durability for long-time cycling, suggesting its remarkable property as promising all-pH HER catalyst.  相似文献   

14.
Highly active and durable electrocatalysts are essential for producing hydrogen fuel through the hydrogen evolution reaction (HER). Here, a uniform deposition of Ru nanoparticles strongly interacting with oxygen-rich carbon nanotube architectures (Ru-OCNT) through ozonation and hydrothermal approaches has been designed. The hierarchical structure of Ru-OCNT is made by self-assembly of oxygen functionalities of OCNT. Ru nanoparticles interact strongly with OCNT at the Ru/OCNT interface to give excellent catalytic activity and stability of the Ru-OCNT, as further confirmed by density functional theory. Owing to the hierarchical structure and adjusted surface chemistry, Ru-OCNT has an overpotential of 34 mV at 10 mA cm−2 with a Tafel slope of 27.8 mV dec−1 in 1 M KOH, and an overpotential of 55 mV with Tafel slope of 33 mV dec−1 in 0.5 M H2SO4. The smaller Tafel slope of Ru-OCNT than Ru-CNT and commercial Pt/C in both alkaline and acidic electrolytes indicates high catalytic activity and fast charge transfer kinetics. The as-proposed chemistry provides the rational design of hierarchically structured CNT/nanoparticle electrocatalysts for HER to produce hydrogen fuel.  相似文献   

15.
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。  相似文献   

16.
Charge redistribution on surface of Ru nanoparticle can significantly affect electrocatalytic HER activity. Herein, a double atomic-tuned RuBi SAA/Bi@OG nanostructure that features RuBi single-atom alloy nanoparticle supported by Bi−O single-site-doped graphene was successfully developed by one-step pyrolysis method. The alloyed Bi single atom and adjacent Bi−O single site in RuBi SAA/Bi@OG can synergistically manipulate electron transfer on Ru surface leading to optimum charge redistribution. Thus, the resulting RuBi SAA/Bi@OG exhibits superior alkaline HER activity. Its mass activity is up to 65000 mA mg−1 at an overpotential of 150 mV, which is 72.2 times as much as that of commercial Pt/C. DFT calculations reveal that the RuBi SAA/Bi@OG possesses the optimum charge redistribution, which is most beneficial to strengthen adsorption of water and weaken hydrogen-adsorption free energy in HER process. This double atomic-tuned strategy on surface charge redistribution of Ru nanoparticle opens a new way to develop highly efficient electrocatalysts.  相似文献   

17.
Cobalt-iron (Co-Fe) nanocubes were directly electrodeposited onto carbon paper and utilized as efficient oxygen evolution reaction catalysts for rechargeable zinc-air batteries. The morphology and mass loading were directly controlled by adjusting deposition time and the deposits evolved from single crystal nanocubes into a continuous film. Co-Fe catalysts exhibited low overpotential, small Tafel slopes and high durability during testing. A zinc-air battery using Co-Fe showed the same cycling efficiency as one using commercial Pt/Ru catalysts.  相似文献   

18.
Exploring highly efficient electrocatalysts and understanding the reaction mechanisms for hydrogen electrocatalysis,including hydrogen oxidation reaction (HOR) and hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline media are conducive to the conversion of hydrogen energy.Herein,we reported a new strategy to boost the HER/HOR performances of ruthenium (Ru) nanoparticles through nitrogen (N) modification.The obtained N-Ru/C exhibit remarkable catalytic performance,with normalized HOR exchange current d...  相似文献   

19.
为了减少贵金属的用量, 降低成本, 提高大规模生产的可能性, 构建单原子合金(SAA)是一个非常可行的解决方案. 设计了一种超小PtRu单原子合金物种均匀分散在掺氮超薄碳纳米片上的电催化剂(PtRu SAA/NC), 并通过基于同步辐射的X射线吸收精细结构(XAFS)光谱进行了结构确认. 与纯Ru团簇和氮掺杂的碳片相比, PtRu SAA/NC具有更高的析氢反应(HER)催化活性和特殊的稳定性, 在0.5 mol/L H2SO4溶液中进行HER时, 表现出较小的Tafel斜率(43 mV/dec), 且在10 mA/cm2电流密度下过电位仅为54 mV.  相似文献   

20.
《中国化学快报》2023,34(7):107788
Alkaline hydrogen evolution reaction (HER) suffers from a sluggish kinetic, which requires the elaborate catalytic interface and micro-nanoscale architecture engineering of the electrocatalysts to accelerate the water dissociation and hydrogen evolution. Herein, the heterointerface engineering was proposed for promoting the alkaline HER by constructing the highly exposed Ru/RuS2 heterostructures homogeneously distributed on hollow N/S-doped carbon microspheres (Ru/RuS2@h-NSC). Benefited from the synergistic effect of heterointerfacial Ru/RuS2, the high accessibility of the active sites on both inner and outer surface of mesoporous shells and the efficient mass transport, Ru/RuS2@h-NSC affords a remarkable catalytic performance with an overpotential of 26 mV@10 mA/cm2 for alkaline HER, outperforming most of the state-of-the-art catalysts. Further applying Ru/RuS2@h-NSC and its oxidized derivate for the overall alkaline water splitting, the required cell voltage is much lower than that of the commercial Pt/C||RuO2 pair to achieve the same current density. Our study may allow us to guide the design of micro-nanoreactors with optimal catalytic interfaces for promising electrocatalytic applications.  相似文献   

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