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.     

通过温和的镍腐蚀制备珊瑚状FeNi(OH)x/Ni作为一种一体化高效水分解电极

高效稳定并可同时催化析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的非贵金属催化剂对于实现廉价水分解电解槽的商业化十分重要.虽然众多研究表明FeNi(OH)x是一种极具潜力的催化剂,但是在基础研究与更有实用前景的电极之间仍有许多空白亟待填补.比如,基础研究多基于薄膜电极,其催化剂内部导电性的影响通常可以忽略.而基于实用化的电极则需要负载较厚的催化剂膜以获得更多的活性位,与此同时,其催化剂内部导电性的不利影响将会增大.此外,物质传递方面也会出现类似的情况.因此,一些在基础研究中显示出高本征活性的催化剂,在更加接近实际应用的体系下难以表现出预期的高活性.对于这一问题,目前鲜有相关的研究报道.基于上述分析,本文报道了一种经济且环保的方法,以制备珊瑚状的FeNi(OH)x/Ni催化剂.在碱性条件下,该催化剂具有同时催化OER和HER,从而实现全水分解的能力.在催化剂的制备过程中,具有高本征活性的FeNi(OH)x纳米片借助Fe(NO3)3对Ni温和的腐蚀过程,被原位负载到珊瑚状镍骨架上.这些纳米片与电沉积制备的珊瑚镍骨架以及3D泡沫镍基底一起构成了一体化的析气电极.这样的电极结构有助于暴露活性位、电解质快速传递和气体产物的迅速释放.此外,与珊瑚状金属镍骨架的复合也有利于减轻较厚的催化剂薄膜所带来的导电性降低的负面影响.在1.0mol L-1 KOH溶液中,以FeNi(OH)x/Ni同时作为阳极和阴极而构建的对称电解槽表现出了优异的催化活性,只需要施加1.52 V的槽压即获得10 mA cm-2的催化电流密度.其活性甚至优于当前最佳的由贵金属催化剂RuO2和Pt/C构建的非对称电解槽所表现出来的活性(10 mA cm-2的槽压为1.55 V).本文提供了一种简便易行且十分可靠的制备更加实用、具有潜力且可负担的水分解装置的策略.     

通过温和的镍腐蚀制备珊瑚状FeNi(OH)_x/Ni作为一种一体化高效水分解电极（英文）

高效稳定并可同时催化析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的非贵金属催化剂对于实现廉价水分解电解槽的商业化十分重要.虽然众多研究表明FeNi(OH)_x是一种极具潜力的催化剂,但是在基础研究与更有实用前景的电极之间仍有许多空白亟待填补.比如,基础研究多基于薄膜电极,其催化剂内部导电性的影响通常可以忽略.而基于实用化的电极则需要负载较厚的催化剂膜以获得更多的活性位,与此同时,其催化剂内部导电性的不利影响将会增大.此外,物质传递方面也会出现类似的情况.因此,一些在基础研究中显示出高本征活性的催化剂,在更加接近实际应用的体系下难以表现出预期的高活性.对于这一问题,目前鲜有相关的研究报道.基于上述分析,本文报道了一种经济且环保的方法,以制备珊瑚状的FeNi(OH)_x/Ni催化剂.在碱性条件下,该催化剂具有同时催化OER和HER,从而实现全水分解的能力.在催化剂的制备过程中,具有高本征活性的FeNi(OH)_x纳米片借助Fe(NO3_)_3对Ni温和的腐蚀过程,被原位负载到珊瑚状镍骨架上.这些纳米片与电沉积制备的珊瑚镍骨架以及3D泡沫镍基底一起构成了一体化的析气电极.这样的电极结构有助于暴露活性位、电解质快速传递和气体产物的迅速释放.此外,与珊瑚状金属镍骨架的复合也有利于减轻较厚的催化剂薄膜所带来的导电性降低的负面影响.在1.0 mol L~(-1) KOH溶液中,以FeNi(OH)_x/Ni同时作为阳极和阴极而构建的对称电解槽表现出了优异的催化活性,只需要施加1.52 V的槽压即获得10 mA cm~(-2)的催化电流密度.其活性甚至优于当前最佳的由贵金属催化剂RuO_2和Pt/C构建的非对称电解槽所表现出来的活性(10mA cm~(-2的槽压为1.55 V).本文提供了一种简便易行且十分可靠的制备更加实用、具有潜力且可负担的水分解装置的策略