工业级碱性海水电解:近期进展和展望

由太阳能、风能和海洋等可再生能源驱动的工业级水分解产氢为能源和环境的可持续性发展开辟了一条极具潜力的道路。然而,在工业上最先进电解技术使用高纯水作为氢源,这将带来严重的淡水资源危机。海水分解为饮用水短缺提供了一条切实可行的解决途径,但仍面临规模工业化生产的巨大挑战。在这里,我们总结了海水分解的最新进展,包括反应机制、电极设计标准和直接海水分解的工业电解槽。深入讨论了应对海水电解中的关键挑战,如活性位点、反应选择性、耐腐蚀性和传质能力等的解决方案。此外,该文章重点总结了海水电解设备的最新发展,并提出了设计长寿命直接海水电解装置的有效策略。最后,我们对直接海水电解的未来机遇和挑战提出了自己的观点。     

电容去离子过渡金属基电极设计及应用研究进展北大核心CSCD

电容去离子(Capacitive deionization,CDI)作为一种新兴的水淡化和离子分离方法,由于其离子选择性高、水回收率高和能耗低等优点受到广泛关注。与传统的基于碳电极的CDI相比,新兴的法拉第电极通过离子捕获的法拉第反应,提供了使得CDI的脱盐性能大幅提升的独特机会。而过渡金属基电极由于其高度可逆的法拉第响应,相对较高的导电性以及出色的理论赝电容值等优势,在CDI电极设计领域受到广泛关注。本文系统地归纳和梳理了过渡金属基电极在CDI应用中的材料分类,总结了针对其本征缺陷所进行改性工程,主要包括导电材料耦合、功能结构工程和缺陷工程等,并对其在海水淡化中的性能进行了总结;此外,从离子选择性分离、金属离子去除和营养元素回收等方面介绍了过渡金属基电极在CDI中的特定应用。最后,概述了剩余的挑战和研究方向,为未来的过渡金属基电极的开发与研究提供指导。     

在大电流密度电催化二氧化碳还原反应中的单原子催化剂

二氧化碳电还原(ECR)是一种环境友好的能源转换方式,可以将CO₂转化为各种具有高附加值的燃料或化学品,但是在大电流密度下通常存在反应活性、产物选择性和长周期稳定性差的问题。单原子催化剂具有高选择性、高催化活性和高原子利用率等优点,在ECR过程中具有巨大的潜力。如何设计高活性、高选择性和长周期稳定性的单原子催化剂用于大电流密度下电催化CO₂还原成为该领域的热点研究问题。本文综述一系列单原子催化剂在大电流密度下的ECR反应的研究进展,重点总结了增强单原子催化剂在大电流密度下ECR性能的活性、产物选择性及长周期稳定性调控机制,为系统设计和制备ECR单原子催化剂提供了思路,并对ECR单原子催化剂工业化应用的机遇与挑战进行了展望。     

经由[Ni(en)3](SeO3)配合物电镀制备的硒化镍高效电催化水分解反应

电催化水分解是一种高效制备清洁氢气能源的有效方法. 开发高效、稳定、廉价、双功能的电催化剂用于水的氧化与还原反应一直以来都是具有挑战的课题. 在这篇论文中,作者报道了一种生长在碳布上高活性的硒化镍微球. 该催化剂通过对同时包含镍和硒元素的亚硒酸镍配合物进行电解制备. 由于前驱分子同时含有两种有效元素,制备得到的硒化镍具有很好的形貌和元素分步均一性. 制备得到的NiSe-EA/CC电极能够双功能催化水的氧化与还原. 在154 mV析氢过电势下能达到10 mA·cm^-2的催化电流. 同时,在250 mV析氧过电势下能达到20 mA·cm^-2电催化电流. 用该电极材料同时作为阴极和阳极制备的全电解水电解池能在1.53 V的电压下实现10 mA·cm^-2的稳定电解电流.     

电化学合成纳米材料和小分子材料在电解制氢领域的应用

氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、 增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。     

双极纳米电极阵列实现单个铂纳米颗粒上氢气析出反应的电致化学发光成像

本文制备了嵌于多孔阳极氧化铝（AAO）膜中直径为200 nm,间距为450 nm的高密度（5.7 × 10⁸ cm^-2）的金纳米电极阵列,纳米电极分布规则,尺寸高度均一。我们将该金纳米电极阵列作为双极电极阵列,可将电极一侧的电化学法拉第信号在另一侧电极上转化成电致化学发光（ECL）信号,从而实现对单个铂纳米颗粒上氢气析出反应（HER）进行亚微米空间分辨率的电化学成像。本文介绍的方法为高空间分辨率成像电催化材料、能源材料以及细胞过程的局部电化学活性提供了一个良好的平台。     

水合肼分解产氢催化剂研究进展

氢气作为21世纪最具发展前景的清洁能源, 一直备受关注. 寻找安全高效的储氢材料以转型到氢能社会是当前面临的最大挑战之一. 水合肼(N₂H₄•H₂O)具有高含氢量(w=8.0%), 完全分解产氢副产物仅为氮气和水, 被视为一种极具应用潜力的液相化学储氢材料. 开发高效、高选择性的催化剂以催化水合肼完全分解, 是研究水合肼分解产氢的关键. 本综述总结了水合肼分解产氢催化剂的设计、合成及其催化性能. 简要分析了肼分解的机理. 此外, 讨论了提高水合肼分解产氢催化剂的选择性和活性的策略, 比如添加强碱助剂/碱性载体、形成合金、降低金属催化剂的结晶度、减小粒子尺寸、以及增强金属与载体相互作用. 本研究进展可以为设计合成具有更高活性的氮基氢化物产氢催化剂提供指导和思路.     

超亲水/超疏气电解水催化剂的研究进展

电解水制氢是一种环保、简便且易于操控的制氢技术。工业化电解水制氢通常在高电流密度下进行,在制氢过程中会产生大量气泡,而气泡在电极表面聚集粘附会覆盖大量活性位点,导致电解水效率降低。因此,调控气体扩散行为对于工业电解水应用来说至关重要。近年来,超浸润材料因为其独特的润湿性能而备受关注。通过控制催化剂表面的化学组成和多尺度微纳米结构可以构建出超浸润界面材料。此类材料具有超亲水/超疏气的界面结构,有助于水相电解液的有效浸润和原位生成气泡的快速释放,从而提升催化剂的水电解性能。系统介绍了2014年至2023年期间报道的部分具有超亲水/超疏气界面结构的电解水催化剂的现状,概述其材料的合成设计策略和水电解催化性能,并对超浸润水电解催化剂的研究现状、面临的挑战和应用前景进行了总结和展望。     

二氧化碳电催化还原中的电解质效应（英文）

二氧化碳(CO₂)电催化还原反应利用可再生能源将CO₂转化为高值燃料和化学品,是一种新型的碳中和技术。CO₂电催化还原反应在电极/电解质界面上进行,因此除催化剂以外,电解质对提高CO₂电催化还原反应性能同样至关重要。本文深度剖析了CO₂电催化还原反应中的电解质效应,结合近几年的最新研究进展,详细讨论了局部p H、阳离子、阴离子和离子交换膜等电解质组成和性质对电催化活性和产物选择性的影响,阐述了电解质效应的催化作用机制。本文特别强调了电化学原位红外/拉曼等振动光谱在电解质效应机理研究方面的优势以及面向实际应用的膜电极CO₂电解器中阴离子、阳离子、水、液体产物等物质传输对活性、选择性、能量效率及CO₂利用效率等关键催化性能指标的影响。本文最后提出了当前电解质效应研究中存在的挑战,并展望了未来的研究机遇和发展趋势。     

自卷曲技术在微型储能器件上的应用

微型能源存储器件在可穿戴电子产品、微型自驱动探测器等领域有重要的应用前景,同时为研究储能器件电极结构、电子/离子传导率以及电化学动力学之间的内在联系提供了理想的平台。自卷曲技术是利用材料内部存在的残余应力而实现二维薄膜材料自行弯曲的一种方法。相比于传统微纳制备工艺,这种方法可以在微米尺度下将二维薄膜电极材料有序卷曲排列,为微型储能器件的制备提供了有效、便捷的途径。本文介绍了近些年自卷曲技术在微型能源存储器件上的重要进展,其中包括材料自卷曲的原理、自卷曲电极及其储能性质,并以此为基础,着重阐述了自卷曲技术制备单根管微型锂离子电池和电容阵列的应用实例。总结并展望了自卷曲技术在微型储能器件应用上的未来挑战和重要机遇。     

电容去离子除氯电极的构建及其脱盐性能研究进展

电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI)是一种新兴的脱盐技术,通过在电极两端施加较低的外加电场除去水中的带电离子和分子,由于其较低的能耗和可持续性而备受关注。基于储能电池领域近年来的迅猛发展,CDI电极材料实现了从以双电层作用机理为代表的碳材料到法拉第电极材料的跨越,使得脱盐性能有了大幅度提升。Na⁺的去除与Cl^-的去除同等重要,然而,CDI中针对氯离子高效去除的电极材料研究关注较少。本文从CDI装置的构型演变发展出发,系统地归纳与梳理了CDI中关于脱氯电极材料的分类,对比了不同类型脱氯电极材料的特点,并总结了Cl^-去除的机理,分别为基于双电层的电吸附、转化反应、离子插层和氧化还原反应。本文是首篇关于CDI阳极材料的进展综述和展望,为CDI除氯电极的后续研究提供理论基础和研究思路。     

MoP-NC纳米球负载Pt纳米粒子用于高效甲醇电解

实现绿色甲醇电解制氢需要高效的双功能催化剂。本文采用热处理结合乙二醇还原法成功制备了MoP-NC纳米球负载的超细Pt纳米粒子(平均粒径为2.53 nm)复合催化剂(Pt/MoP-NC)用于高效甲醇电解制氢。MoP-NC纳米球不仅能提高Pt纳米粒子的分散性并且增强Pt的抗中毒能力。电化学测试表明Pt/MoP-NC催化剂在酸性甲醇氧化反应(MOR)和析氢反应(HER)中具有较高的催化性能;其中,MOR的正向扫描峰值电流密度为90.7 mA∙cm⁻²,是商业Pt/C催化剂的3.2倍,在10 mA∙cm⁻²的电流密度下,HER的过电位低至30 mV,与商业Pt/C接近。由Pt/MoP-NC||Pt/MoP-NC组装的两电极电解槽驱动10 mA∙cm⁻²的电流密度仅需要0.67 V的电压,比相同条件下电解水的电压低1.02 V,大大降低了能量输入。Pt/MoP-NC的高催化性能主要来源于Pt活性中心与相邻层状多孔球形结构的MoP-NC载体之间电子效应及配体效应引起的抗一氧化碳中毒能力的提升和含氧物种的容易生成。     

有机配体表面改性NiCo2O4纳米线用于水全分解

由于水分解在绿色能源领域的重要作用,能够在碱性介质中进行析氢(HER)和析氧(OER)反应的双功能电催化剂具有重要的应用价值。本文报道一种具有丰富缺陷的表面改性NiCo₂O₄纳米线(NWs),在碱性介质中作为一种高效的整体水裂解电催化剂。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,Co²⁺/Co³⁺比值的增加是表面修饰NiCo₂O₄纳米线具有优异双功能电催化性能的重要原因。结果表明,在1.0 mol·L^-1 KOH溶液中,通过有机配体主导的表面改性,优化后的NiCo₂O₄纳米线在电流密度达到10 mA·cm^-2时的HER过电位仅为83 mV,OER过电位仅为280 mV。更重要的是,有机配体表面改性后的NiCo₂O₄纳米线表现出了出色的水分解性能,在2.1 V电压下达到了100 mA·cm^-2的电流密度。目前的工作凸显了提高NiCo₂O₄ NWs尖晶石结构中Co²⁺含量对促进整体水裂解的重要性。     

基于四硫富瓦烯的无金属共价有机框架材料用于高效电催化析氧反应

共价有机框架(COFs)在电催化析氧反应(OER)中的应用得到了广泛的关注。然而,大多数无金属共价有机框架(COFs)的导电性较差,不利于OER反应。四硫富瓦烯(TTF)是一种良好的电子供体,具有快速的电子转移能力,将TTF整合到共价有机框架骨架中将有助于电子的转移。在此,我们报道了一种基于四硫富瓦烯的二维无金属共价有机框架材料,JUC-630。与不含四硫富瓦烯的同类材料(Etta-Td COF)相比,JUC-630具有较低的过电位(400 mV)和塔菲尔斜率(104 mV∙dec⁻¹)。本研究提出了合理设计功能基元的策略,这有助于大大提高COF材料的OER催化活性。     

微波热冲快速制备二维多孔La0.2Sr0.8CoO3钙钛矿用于高效电催化析氧反应

析氧反应(OER)被认为是电解水的关键限制步骤,已被广泛作为清洁能源方式用于解决能源和环境问题。钙钛矿氧化物(ABO₃)具有可调的电子结构、高灵活性的元素组成,能在OER中表现出良好的催化活性。然而,钙钛矿氧化物的合成通常需要经历长时间的高温,极易导致金属的聚集和影响材料的本征活性。气相微波技术可以显著缩短热处理时间,从而减少相关的碳排放。这项技术不仅解决了对碳中性过程日益增长的需求,而且还增加了对合成的控制,以避免产品的不良团聚。本文采用微波热冲法快速制备了二维(2D)多孔La_0.2Sr_0.8CoO₃钙钛矿。伴随微波过程的快速熵增可以有效地暴露La_0.2Sr_0.8CoO₃结构中丰富的活性位点。此外,高能微波冲击过程可以精准地将Sr²⁺引入到LaCoO₃的晶格中,通过增加Co的氧化态来增加氧空位量。这种锶元素取代镧引入的氧空位能极大提高催化剂的本征催化活性。对于碱性电解液中的OER应用,制备的La_0.2Sr_0.8CoO₃在10 mA∙cm⁻²下展现出了360 mV的过电位,Tafel斜率为76.6 mV∙dec⁻¹。且在经历30000秒的长时间循环测试后仍能维持初始电流密度的97%。这项研究为高活性二维钙钛矿的合成提供了一种简便、快速的策略。     

基于癸二酸二异辛酯的环保型复合缓蚀剂对钢筋的缓蚀效应

应用缓蚀剂控制混凝土中钢筋的腐蚀具有高效、廉价和易操作等优点,越来越受腐蚀研究者的关注。近年来,对环保型缓蚀剂的需求日益增加。因此,本工作发展了由癸二酸二异辛酯、D-葡萄糖酸钠和硫酸锌组成的环保型复合缓蚀剂并应用电化学测试技术和表面分析方法研究其对钢筋的缓蚀作用。结果表明,Q235钢筋在pH为11.00,含0.5 mol∙L^-1 NaCl的模拟污染的混凝土孔隙液中处于活化状态并发生局部腐蚀。含有59 mmol∙L^-1癸二酸二异辛酯,0.5 mmol∙L^-1 D-葡萄糖酸钠和1.5 mmol∙L^-1硫酸锌组成的复合缓蚀剂对钢筋具有良好的协同缓蚀效应,在模拟污染混凝土孔隙液中和水泥砂浆试样中对钢筋的缓蚀效率分别达到96.8%和90.0%。该复合缓蚀剂是一种混合型缓蚀剂,对钢筋腐蚀的阴极反应和阳极反应均有抑制作用。     

电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能

水系锌离子电池(ZIBs)因安全性高、成本低、环境友好,以及负极锌高的理论容量(820 mAh·g^-1)和低的氧化还原电位(-0.76 V vs.SHE)等优点而受到研究者们的广泛关注,有望应用于大规模储能领域,但循环寿命仍是限制其规模化应用的瓶颈之一。通过电解液优化调控策略,可有效抑制正极材料的溶解、结构坍塌和界面副反应等问题,从而提高水系ZIBs的电化学性能。本文综述了电解液调控策略提升水系ZIBs正极材料电化学性能的研究进展,讨论了该策略所解决的具体问题和局限性,并对电解液体系的发展方向进行了展望。     

一维/二维W18O49/多孔g-C3N4梯形异质结构建及其光催化析氢性能研究

提高光催化分解水制氢的效率是能量转换领域的关键挑战。本研究首先合成了二维多孔氮化碳(PCN),然后在二维PCN上原位生长了一维W₁₈O₄₉ (WO),形成了一种新型的梯形(S型)异质结。该异质结可以加快界面电荷的分离和转移,赋予WO/PCN体系更好的氧化还原能力。此外,具有多孔结构的PCN提供了更多的催化活性位点。与WO和PCN相比,20% WO/PCN复合材料具有更高的H₂产率(1700 μmol·g^-1·h^-1),是PCN (30 μmol·g^-1·h^-1)的56倍。本研究提供了一种新S型光催化剂用于光催化制氢领域。     

基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容

适用于极低温环境的石墨烯超级电容具有广阔的应用前景。然而,由于片层间严重的堆叠团聚,目前石墨烯超级电容的低温储能性能并不理想。本文使用H₂O₂氧化刻蚀法制备了孔洞石墨烯(rHGO),将传统有机溶剂碳酸丙烯酯(PC)和低凝固点溶剂甲酸甲酯(MF)混合制备了混合溶剂有机电解液,组装获得了能够在-60 ℃极低温环境下稳定工作的超级电容。结果表明,该超级电容在-60 ℃下的比电容为106.2 F·g^-1,相对于常温电容(150.5 F·g^-1)的性能保持率高达70.6%,显著优于未做处理的石墨烯(52.3%)以及文献中的其他石墨烯材料。得益于孔洞化形貌中丰富的介孔和大孔所形成的离子传输通道和缩短的离子传输路径,孔洞石墨烯内的离子扩散阻抗远小于普通石墨烯,且受温度降低的影响更小。在-60 ℃的极低温条件下,该超级电容表现出26.9 Wh·kg^-1的最大能量密度和18.7 kW·kg^-1的最大功率密度,优于传统碳材料的低温超级电容性能。-60 ℃时在5 A·g^-1电流密度下循环充放电10000次后电容保持率达89.1%,具有良好的低温循环稳定性。     

非贵金属助剂Ni2P修饰类石墨碳氮化物光催化剂增强可见光光催化产氢性能

Energy crisis has become a serious global issue due to the increasing depletion of fossil fuels; therefore, it is crucial to develop environmentally friendly and renewable energy resources, such as hydrogen (H₂), to replace fossil fuels. From this viewpoint, photocatalytic H₂ production is considered as one of the most promising technologies. Noble metal platinum (Pt) can be applied as an efficient cocatalyst for improving the H₂ production performance of photocatalytic systems; however, its high cost limits its further application. Thus, the development of novel, high-activity, and low-cost cocatalysts for replacing noble metal cocatalysts is of great significance for use in photocatalytic H₂ evolution techniques. Herein, we successfully synthesized a Ni₂P/graphite-like carbonitride photocatalyst (Ni₂P/CN) using a conjugated polymer (SCN)_n as precursor for enhanced photocatalytic H₂ production under visible light illumination. Various characterization techniques, including optical and photoelectronic chemical tests, were used to investigate the structural composition, morphology, and light adsorption ability of these materials. X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy results showed that Ni₂P/CN nanocomposites with good crystal structure were obtained. Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy results revealed that the Ni₂P/CN samples had a typical two-dimensional layered structure, and the Ni₂P nanoparticles were uniformly loaded on the surface of the CN to form a non-noble metal promoter. UV-Vis diffuse reflectance spectra results demonstrated that the loading of Ni₂P nanoparticles effectively enhances the adsorption capacity of CN to visible light. Photoluminescence spectroscopy and photocurrent (PL) results suggested that Ni₂P loading to CN is beneficial for promoting the migration and separation efficiency of photogenerated carriers. Photocatalytic H₂ production was conducted under visible light irradiation with triethanolamine as a sacrificial agent. The results suggest that the Ni₂P/CN composite photocatalysts exhibit excellent photocatalytic reduction performance. In particular, the H₂ evolution rate of the optimal Ni₂P/CN nanocomposite is 623.77 μmol·h^-1·g^-1, which is higher than that of CN modified by noble metal Pt, i.e., 524.63 μmol·h^-1·g^-1. In conclusion, Ni₂P nanoparticles are homogeneously attached to the surface of CN, and a strong interfacial effect exists between them, thereby forming an electron transfer tunnel that greatly inhibits the recombination of photoinduced carriers and promotes the migration of electrons from CN to Ni₂P. In addition, a possible photocatalytic mechanism is proposed based on the experiments and characterizations. This work has profound significance for developing non-noble metal cocatalysts for the substitution of noble metal cocatalysts for high-efficiency photocatalytic H₂ evolution.