催化氨硼烷水解制氢研究进展

当前,世界范围内的能源利用面临着巨大的挑战,开发绿色洁净能源十分重要。通过水解氨硼烷制备清洁可再生的氢气是解决能源问题的有效途径之一。选择合适的催化剂有效提高制氢效率是氨硼烷水解制氢的关键,开发高效安全的催化剂一直是该领域研究的重点和热点。本文从影响氨硼烷水解制氢反应中催化剂催化性能的因素出发,综述了活性金属组分和载体在催化剂制备过程中以及催化氨硼烷制氢反应中的作用。最后,对催化氨硼烷水解制氢过程所存在的问题以及今后的发展进行了总结和展望。     

电池电极反应的新应用：分步法电解制氢气

可再生能源与电解水制氢技术的结合是实现可持续制氢的最佳途径. 然而,传统电解水技术中解决氢-氧同时、同步、同地产生的问题必须依赖于膜分离技术,大幅限制了氢-氧分离和氢气异地运输的灵活性,并阻碍了可再生能源(如风能、太阳能)与电解水技术的直接结合. 针对上述问题,作者课题组在近期提出了基于电池电极反应的分步法电解水制氢技术,即通过电池电极的可逆电化学反应将现有电解水过程拆分为制氢和制氧分立步骤,实现在无膜条件下氢气和氧气的分时、分地交替制备,提升了电解水制氢的灵活性,促进了可再生能源向氢能的直接转化. 本文将介绍这一新技术的研究进展,并分析这一技术的优点和面临的挑战.     

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。     

基于碳纤维材料基底的电解水制氢催化剂的研究进展

电解水制氢技术是未来获得清洁氢能源的有效途径之一。铂作为高效的电解水制氢催化剂,由于其价格昂贵,难以回收,不利于氢能源与氢经济的发展,因此发展高效的非贵金属电催化剂,使电解水制氢过程更加高效、经济化是十分关键的科学问题。本文综述了近年来电解水制氢催化剂的研究进展,重点集中在以碳纤维材料为基底的非贵金属催化剂领域。总结了几类重要的多相异质非贵金属催化剂,包括磷化物、硫化物、硒化物、碳化物、氧化物催化剂等,重点探讨了各种析氢催化剂的合成方法和性能提高策略。同时,本文也简要概述了碳纤维基底材料在电分析化学检测方面的应用研究。     

金属-有机骨架材料在催化氨硼烷水解释氢中的研究进展

当前，化石燃料的大量消耗和对能源日益增长的需求推动了可再生和高效能源材料的开发。氢因丰富的来源以及清洁的特性而被视为潜在的能源载体。通过水解氨硼烷制备清洁可再生的氢气是解决能源问题的有效途径之一。开发高效安全的催化剂一直是该领域研究的重点和热点。金属-有机骨架材料（MOFs）因其独特的结构、组成和特性，在氨硼烷水解制氢中有广泛的应用。本文以MOFs材料在催化剂设计制备中的作用为侧重点，综述了不同MOFs材料在催化氨硼烷水解制氢反应中的作用，对其在催化氨硼烷水解制氢应用过程中所存在的问题和今后的发展进行了总结和展望。     

杂原子掺杂提升四氧化三钴电催化性能

正发展电解水制氢和金属-空气电池等电化学能源转化与存储技术对于解决日益严峻的能源短缺和环境污染问题具有重要意义~1。氧气析出反应(OER)是电解水制氢和金属-空气电池的关键半反应,但其缓慢的动力学过程却限制了上述能源技术的快速发展~(2,3)。钌/铱基催化剂是当前最为有效     

电解水金属单原子催化剂的研究进展

氢能因其能量密度高、清洁无污染等特点,作为替代化石燃料的能源载体得到了广泛的研究.如何清洁高效地制备氢气受到了大量研究者的关注.当前,以化石能源的热反应所得副产氢气是主要来源.然而,采用该类方法不仅不能摆脱化石能源的使用以及温室气体的排放,还会造成生产氢气的纯度不高,碳氧化物杂质浓度过高的问题,严重影响氢气的后续使用.采用可再生能源(太阳能、风能等)所产富余电,进行电解水制氢,产生的氢气不含碳氧化合物杂质,纯度很高,可以真正实现碳的零排放,被认为是未来氢气来源的重要方式.目前,电解水制氢在制氢市场的所占份额较小,而造成这样局面的主要因素是该过程中的高能耗问题.为了降低能耗,开发高效催化剂加速两个电极上的电解反应的动力学尤为重要.近年,金属单原子催化剂(SACs)因其独特的结构,在很多研究中被用作电解水催化剂,进而开发出大量高性能的金属单原子电解水催化剂.本文综述了近年SACs在电解水催化方面的应用.首先,针对电解水反应本身,总结了阴阳极两侧的电极反应机制以及影响电极催化性能的关键吸附中间物种;然后,根据载体的不同,即合金、碳以及其它化合物将SACs分为三类,总结了相关电解水催化研究现状,并且针对不同类型SACs目前的发展情况,提出了它们各自存在的问题.其次,进一步总结了影响SACs电解水催化活性的因素,提出了四种决定SACs催化性能的影响因子,分别为金属原子的固有元素性质、配位环境、几何结构和负载量;同时讨论了这四类影响因素对SACs催化活性的影响机制,总结了调控各类影响因素的方法,为SACs的设计提出了一些建议.最后,展望了SACs在电解水催化中的应用,探讨了SACs在催化剂设计及催化机制研究方面的问题,提出了SACs在电解水催化中的未来发展方向.     

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.     

基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展

利用可再生能源产生的电能电解水制取氢气,被认为是下一代清洁能源的最佳选择之一。然而,通过电解水可持续的产生氢气需要高活性的催化剂来使得反应有效地进行。基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂展现出巨大的潜力,因而备受关注。本文主要结合我们课题组近期在析氢反应电催化剂方面的研究,介绍了类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展,主要包括过渡金属二硫族化合物、前过渡金属碳化物(MXenes)以及硼单层纳米片等。最后总结和展望了析氢反应电催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

镍基金属有机框架及其衍生物在电催化析氧反应中的研究进展（英文）

作为未来最有潜力的制氢技术之一,电解水为解决环境污染和能源危机等问题提供了一种有效的解决途径。然而,阳极析氧反应缓慢的动力学和较高的过电位使其成为电解水装置效率提升的主要瓶颈。因此,开发高活性和高稳定性的析氧反应催化剂对于电解水技术的发展具有重要意义。近年来,镍基金属有机框架材料因其具有丰富可调的拓扑结构、较大的比表面积以及多孔特性,在催化领域受到了越来越多的关注。本文综述了镍基金属有机框架及其衍生材料在析氧催化研究中的最新进展。首先简要介绍了镍基材料在析氧反应中的原理及评价析氧催化剂活性的一些重要参数,并列举了几种镍基金属有机框架材料的结构及其在催化中的优势。随后,结合近年来发表的文献,对单金属、双金属和三金属镍基金属有机框架材料及其衍生物在析氧催化中的研究进展进行了总结与讨论,重点分析了该类材料的设计策略和催化机理。最后对该领域目前所面临的主要挑战以及未来的发展趋势进行了总结与展望。     

基于可再生能源的水电解制氢技术（英文）

在全球变暖,污染日益严重的今天,发展可再生清洁能源成为了当务之急.然而可再生能源(风能、太阳能)本身具有间断特性,这就需要寻找一种合适的能量媒介储存能量来保证其能源的稳定输出.当前,我国各地不断出现弃风、弃光和弃水电事件,据国家能源局的公开数据,仅2016年,全国弃风电量497×10~8 kW·h,弃光率仅西部地区就已达20%,弃风弃光日臻凸显[1].从地域方面来看,我国光伏发电呈现东中西部共同发展格局,其中,西部地区主要发展集中式光伏发电,新疆、甘肃、青海、宁夏的累计装机容量均超过5×10~6 k W·h,而中东部地区除集中式光伏发电外,还重点建设分布式光伏发电,江苏、浙江、山东、安徽的分布式光伏装机规模已超过100万千瓦.我国光伏发电集中开发的西北地区也存在严重的弃光问题.根据中国光伏行业协会发布的报告,我国的弃光现象主要集中于西北的新疆、甘肃、青海、宁夏和陕西五省区.据统计,2016年,五省区光伏发电量287.17×10~8 k W·h,弃光电量70.42×10~8 k W·h,弃光率为19.81%,各省区光伏发电并网运行数据如表格所示.可以看出,新疆、甘肃光伏发电运行较为困难,弃光电量绝对值高,弃光率分别达到32.23%和30.45%[2].在新能源体系中,氢能是一种理想的二次能源,与其它能源相比,氢热值高,其能量密度(140 MJ/kg)是固体燃料(50MJ/kg)的两倍多.且燃烧产物为水,是最环保的能源,既能以气、液相的形式存储在高压罐中,也能以固相的形式储存在储氢材料中,如金属氢化物、配位氢化物、多孔材料等.对可再生和可持续能源系统,氢气是一种极好的能量存储介质.氢气作为能源载体的优势在于:(1)氢和电能之间通过电解水技术可实现高效相互转换;(2)压缩的氢气有很高的能量密度;(3)氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力.制氢的方式有很多,包括:化石燃料重整、分解、光解或水解等.全球每年总共需要约40亿吨氢气,95%以上的氢气是通过化石燃料重整来获得,生产过程必然排出CO_2,而电解水技术利用可再生能源获得的电能进行规模产氢,可实现CO_2的零排放,可将具有强烈波动特性的风能、太阳能转换为氢能,更利于储存与运输.所存储的氢气可用于燃料电池发电,或单独用作燃料气体,也可作为化工原料.通过水电解方式获得的氢气纯度较高,可达99.9%以上.     

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。     

Principles of Water Electrolysis and Recent Progress in Cobalt-, Nickel-, and Iron-Based Oxides for the Oxygen Evolution Reaction

Water electrolysis that results in green hydrogen is the key process towards a circular economy. The supply of sustainable electricity and availability of oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts are the main bottlenecks of the process for large-scale production of green hydrogen. A broad range of OER electrocatalysts have been explored to decrease the overpotential and boost the kinetics of this sluggish half-reaction. Co-, Ni-, and Fe-based catalysts have been considered to be potential candidates to replace noble metals due to their tunable 3d electron configuration and spin state, versatility in terms of crystal and electronic structures, as well as abundance in nature. This Review provides some basic principles of water electrolysis, key aspects of OER, and significant criteria for the development of the catalysts. It provides also some insights on recent advances of Co-, Ni-, and Fe-based oxides and a brief perspective on green hydrogen production and the challenges of water electrolysis.     

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.     

Ce改性碳纳米管负载过渡金属磷化物用于电化学水分解

氢能是未来替代化石燃料的理想选择,可以通过电解水的半反应之一析氢反应制得,但其缓慢的反应动力学将会耗费大量的电池电压。因此,通过开发催化剂来降低电解槽的电压是解决这一问题的关键途径。本文经过简便的静电纺丝及碳化工艺得到Ce改性的碳纤维作为载体(Ce-CNFs),接着通过水热法及高温磷化法负载活性组分得到Co_x-Mo_y-P@Ce-CNFs,分别对催化材料的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电催化活性进行了研究。结果表明,在1mol/L KOH电解液中,仅需要160mV和323mV的过电位就能达到10mA/cm²的电流密度。将Co_x-Mo_y-P@Ce-CNFs作为阴极和阳极材料组装为整体水电解槽,在电流密度为10mA/cm²时,电解槽的电池电压为1.65V,在电化学耐久性测试中能够稳定保持8h。     

Anodic Hydrazine Oxidation Assists Energy‐Efficient Hydrogen Evolution over a Bifunctional Cobalt Perselenide Nanosheet Electrode

Water electrolysis is a promising source of hydrogen; however, technological challenges remain. Intensive efforts have focused on developing highly efficient and earth‐abundant electrocatalysts for water splitting. An effective strategy is proposed, using a bifunctional tubular cobalt perselenide nanosheet electrode, in which the sluggish oxygen evolution reaction is substituted with anodic hydrazine oxidation so as to assist energy‐efficient hydrogen production. Specifically, this electrode produces a current density of 10 mA cm^?2 at ?84 mV for hydrogen evolution and ?17 mV for hydrazine oxidation in 1.0 m KOH and 0.5 m hydrazine electrolyte. An ultralow cell voltage of only 164 mV is required to generate a current density of 10 mA cm^?2 for 14 hours of stable water electrolysis.     

电解海水析氢反应过渡金属基催化剂的研究进展

海水作为地球上最丰富的自然资源之一,在实现大规模的电解水制氢方面具有得天独厚的优势。然而,海水中的Cl^-、Ca²⁺和Mg²⁺等使催化剂在阴极发生腐蚀、毒化或降解,导致其稳定性、活性以及使用寿命显著降低。近年来,为了解决上述问题,人们致力于设计开发廉价的高效稳定析氢反应（HER）催化剂,进而提高电解海水制氢效率。本文首先介绍了电解海水的优势及其HER所面临的挑战,其次从活性和稳定性等方面重点论述了硒化物、硫化物、氮化物以及磷化物等过渡金属基催化剂在电解海水HER中的研究进展,最后总结和展望了电解海水HER催化剂未来的发展前景。     

多壳层中空镍钴双金属磷化物纳米球用于高效电催化析氧北大核心CSCD

析氧反应是金属-空气电池和电解水制氢等电化学系统中关键的反应,研究其高效稳定非贵金属电催化剂至关重要。本文以金属有机骨架化合物(MOF)作为前驱体,通过高温煅烧制备了具有多壳层中空结构的镍钴双金属磷化物(NiCo-P)。这种独特的结构有利于电解液的渗透,能够提供丰富的暴露活性位点和快速传质路径,同时,镍钴双金属具有协同作用促进电化学性能。结果表明,n(Ni)∶n(Co)=1∶10制备的NiCo-P-0.1催化剂在1.0 mol/L KOH电解液中表现出良好的催化活性和稳定性,在10 mA/cm^(2)电流密度的过电势为329 mV,具有良好的应用前景。本工作为高活性和高稳定性的电催化析氧催化剂的制备提供了一种全新途径。