水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展

氢能作为零碳排放能源是被公认的最清洁能源之一,如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的问题。电解水技术基于电化学分解水的原理,利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气,被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而,无论是光解水还是电解水,均需要高活性、高稳定性的非贵金属氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。本文介绍了我们研究所近三年在水电解方面的研究进展,其中着重介绍了：（ⅰ）氢析出催化剂,包括利用低温磷化过渡金属（氢）氧化物的方法制备过渡金属磷化物,同时过渡金属硫化物、硒化物以及碳化物等均被成功合成并被应用为有效的阴极析氢催化剂;（ⅱ）氧析出催化剂,主要包括金属磷化物、硫化物、氧化物/氢氧化物等;（ⅲ）双功能催化剂,主要包括过渡金属磷化物、硒化物、硫化物等。最后,总结展望了发展水电解非贵金属催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

新型析氢析氧电化学催化剂在固体聚合物水电解体系的应用

固体聚合物水电解制氢技术在可再生能源利用和氢能经济发展中占有极其重要的地位,催化剂是实现高效能源转化的关键。由于聚合物水电解体系的强酸腐蚀性和高氧化电位,其实际应用的催化剂仍以Pt和Ir基催化剂为主。贵金属材料储量有限,价格昂贵,电催化剂成本很高,极大限制了聚合物水电解技术的发展。聚合物水电解催化剂的研究主要集中在降低贵金属用量、提高贵金属利用率和延长催化剂使用寿命等方面。此外,寻找廉价的替代材料,开发非贵金属析氢、析氧电催化剂也是研究的重要内容和发展方向。通过深入认识催化作用机理,结合快速发展的模拟、计算技术,设计制备新型高性能析氢、析氧电催化剂具有重要应用价值。本文总结了当前聚合物水电解体系析氢、析氧催化原理的发展,介绍了新型析氢、析氧催化剂的制备技术和性能研究及双效催化剂的发展,并对提高催化性能的措施做了简单总结和建议,希望对聚合物水电解体系催化剂的进一步研究和发展有积极意义。     

金属硫(磷)化物用于电化学析氢反应

电化学分解水(Water Splitting)是获得高纯度氢能的重要手段。 因此,开发具有高活性低成本的电化学析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)催化剂成为目前能源环境的研究热点之一。 本文总结了常用于HER反应的过渡金属硫化物以及磷化物非贵金属催化剂材料的合成方法,并且概况了如何构建特殊结构的金属硫化物及磷化物材料以调高材料的HER催化反应性能的方法,为开发其它高活性的非贵金属催化剂提供依据。     

过渡金属磷化物的制备及电催化析氢性能提升策略

氢能是一种绿色、 高效的二次能源, 在廉价的非贵金属催化剂的辅助下, 电解水制氢以其低成本和高效率受到广泛关注. 过渡金属磷化物因其独特近似球形三角棱柱单元结构能够暴露出更多配位不饱和表面原子, 因此在电解水制氢中表现出优异的催化活性和强耐腐蚀性. 本文综述了过渡金属磷化物的制备方法和在电催化析氢中的应用和性能的改善策略. 最后讨论了过渡金属磷化物催化剂存在的一些亟待解决的问题, 并展望了其未来的发展方向.     

MoSe2纳米片耦合Pt纳米颗粒用于高效双功能催化甲醇辅助水电解制氢(英文)

化石燃料的大量消耗所带来的全球性挑战推动人们大力发展清洁和可持续的能源.氢能作为一种绿色、无污染的能源载体,是能源向绿色经济转换的关键,而利用可再生能源进行的电解水制氢被认为是实现绿色制氢的最佳选择.然而由于析氧反应(OER)的氧化电位(1.23 V)较高,动力学缓慢,实际水电解需要更多的能量输入.具有低氧化电位的甲醇辅助水电解(0.016 V)可以匹配可再生能源实现低能耗电解制氢,受到了广泛关注.开发高效的用于催化甲醇氧化(MOR)和析氢反应(HER)的双功能催化剂是实现这一愿景的前提.传统的Pt基催化剂容易受到阳极侧MOR过程中产生的CO中间体毒化,严重影响甲醇辅助水电解制氢的效率.为了提升Pt基催化剂的催化活性和稳定性,一种有效的策略是引入合适的功能组分来促进催化反应.例如,贵金属颗粒和亲氧化成分(如过渡金属氧化物和磷化物)之间的金属-载体相互作用可以有效提高Pt基催化剂的抗CO中毒能力.过渡金属硒化物由于其优良的金属性和亲氧性作为催化促进剂受到越来越多的关注.硒化钼(MoSe₂)具有良好的稳定性和导电性并且其2H相中的不饱和边缘具有水活化和解离活性,同时其...     

电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）

对化石能源的依赖所造成的环境污染和能源危机在全球引起了广泛的关注.氢能由于其高能量密度、低分子质量以及清洁无污染的优点,被认为是人类根本性解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢的重要方法,是现代清洁能源技术的重要组成部分.水电解由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应构成.对于HER反应,其反应是基于二电子转移过程,反应过程相对容易进行.相比于HER反应,OER反应涉及四电子转移及氧-氧键形成,其反应动力学缓慢,是影响水电解效率的主要原因.因此,为了提高电解水制氢的能量转化效率,发展OER电催化剂成为水电解制氢技术的关键.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量地研究及报道并取得了长足发展.在这些催化剂中,金属磷化物和硫化物不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性方面正趋接近甚至超越RuO_2和IrO_2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文总结磷化物和硫化物作为OER电催化剂的研究进展,重点介绍了磷化物和硫化物性能提升策略及其在OER过程中催化反应活性位的变化.本文首先介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,讨论了析氧反应在动力学和热力学过程的主要障碍.通过对大量文献的归纳,本文分别综述了磷化物和硫化物的化学性质、合成方法和催化性能,介绍了近年来磷化物和硫化物的重要研究进展.通过分析催化剂导电性、质子传输、活性面积、界面化学等因素对催化析氧反应的影响,总结了磷化物和硫化物电催化OER性能提升的策略.由于磷化物和硫化物在OER强氧化条件下,电催化剂表面的成分、物相及结构均会发生显著变化,进而催化反应活性位也会发生相应改变.本文综述了磷化物和硫化物在OER反应过程前后表面组分的变化,探讨了磷化物和硫化物作为OER电催化剂的活性组分,为进一步提高磷化物和硫化物的电催化析氧反应性能提供了崭新的思路.     

红毛丹状磷化钴@钼钴氧空心微米小球用于碱性电催化析氢（英文）

氢气因其能量密度高、零排放和可再生的特点被广泛认为是最有前景的能源.电解水是一种产生高纯氢气的有效途径.目前,高性能的促进水电解的催化剂主要是贵金属材料,例如贵金属铂.然而,高成本大大阻碍了贵金属材料在电催化水分解中的广泛应用.因此,我们致力于研究具有高活性的非贵金属催化剂.因为电催化水分解析氢反应更容易发生在质子浓度高的条件下,所以研究碱性条件下催化析氢比研究酸性条件下催化析氢更具挑战性.在工业应用中,酸性电解质溶液对仪器设备的腐蚀性比碱性溶液更大,因此研究应用在碱性溶液中的析氢催化剂更有发展前景.过渡金属磷化物被广泛地研究作为高性能析氢电催化剂,然而过渡金属磷化物作为析氢催化剂的稳定性通常不是很好.我们通过钼元素的引入,提高过渡金属磷化物作为析氢催化剂的稳定性.电化学催化效率同样受到材料形貌和导电性的影响.大的比表面积有利于暴露更多的活性位点,使活性位点与电解质溶液的接触更加充分,有利于催化剂和溶液之间的传质.据报道,金属磷化物具有良好的导电性是由于磷化物中存在金属-金属键.所以合成具有大比表面积形貌的过渡金属磷化物材料能够满足析氢电催化剂对比表面积和导电性的两个需求.界面效应是调节催化剂性能的一个有效方法.析氢催化剂常常存在吸附质子能力过强或过弱、稳定性不好等问题.这些问题可以通过界面效应来解决.本文通过形成磷化估和钼钴氧的界面来调节改善磷化钴表面原来的电子密度,以达到理想的氢吸附自由能;同时此界面效应还能起到稳定催化剂性能的作用.本文首先采用水热法合成了红毛丹状钼钴氧空心微米小球前驱体.在钼酸根离子的引导下,利用奥斯特瓦尔德熟化原理一步实现了红毛丹状空心结构.前驱体再以次亚磷酸钠为磷源进行气相磷化,得到产物红毛丹状磷化钴@钼钴氧空心微米小球.通过扫描电镜和透射电镜对其红毛丹状空心结构进行了表征.利用X射线衍射和X射线光电子能谱等手段表征了材料的物相组成和价态分布.电化学测试均使用电化学工作站完成.该材料在碱性电解质溶液中展现了极好的电化学催化析氢性能,在电流密度为10 mA cm^-2时对应的析氢过电位仅为62 mV.在1 MKOH溶液中10 mA cm^-2电流密度下测试55 h,过电位仅增大约17 mV,显示了非常强的碱性析氢稳定性.得益于磷化钴和钼钴氧之间的界面效应,以及特殊的三维空心结构,红毛丹状磷化钴@钼钴氧空心微米小球表现出优异的析氢催化性能和稳定性.     

过渡金属磷化物析氢催化剂的掺杂调控

过渡金属磷化物因其优异的催化性能成为最有可能取代贵金属的廉价电催化分解水制氢催化材料, 对其进行元素掺杂将有望大幅提升其活性和稳定性. 本文综合评述了近年来通过掺杂改性手段调节过渡金属磷化物性能的相关研究. 讨论了元素种类(金属掺杂、 非金属掺杂、 共掺杂)、 元素数量(单元素掺杂、 多元素掺杂、 高熵化)和掺杂位置等因素对过渡金属磷化物电子结构的影响; 并从实验和理论相结合的角度, 分析了掺杂元素对氢吸附强度、 水吸附解离及电荷转移传输等方面的作用规律, 获得了掺杂结构-电子结构-析氢反应催化性能间的构效关系. 最后, 讨论并提出了相关研究存在的挑战和未来的研究方向.     

优化金属磷化物电催化析氢性能的策略

日益严重的能源危机和环境污染问题使得探索清洁的可再生能源载体及减少对传统化石燃料的过度依赖成为人们面临的一项重要任务.因此,各种可持续能源如太阳能、风能、海洋能和生物质能等得到了广泛研究并取得了一定的进展.然而,这些能源因存在间歇性和不稳定性等缺点阻碍了其实际应用.近年,氢气作为一种能源载体,以其高能量密度和无碳排放的优点引起了人们的广泛关注,被认为是缓解日益严重的污染问题的最有前途的环保能源.对比目前采用的天然气热解和煤炭气化等传统制氢策略,电催化水裂解由于催化效率高,制氢纯度高和不产生温室气体,被认为是高效、环保、可持续的制氢策略.电催化水裂解由两个独立的半反应组成,分别是析氢反应和析氧反应.析氢反应作为水裂解的一个半反应,在降低制氢成本及提高产氢催化效率方面起着关键作用.然而,目前的核心问题之一是要开发高效的析氢电催化剂,以加快反应速度.目前,铂和铂基纳米材料被认为是高效的析氢电催化剂,但是其稀缺性和高成本阻碍了大规模实际应用.金属磷化物由于具有较高的本征活性并且在不同的电解质中都具有良好的电催化析氢性能,被证明是一种优良的析氢电催化剂.此外,与普通催化剂相比,金属磷化电催化剂还具有合成简便、效率高、成本低、省时等优点.本文详细介绍了近年人们在金属磷化物用于电催化析氢研究中取得的进展.首先,介绍了电催化析氢反应机理,金属磷化物的结构及作用,并对其优缺点进行了总结;随后,综述了金属磷化物的合成方法,包括后处理、原位生成和电沉积策略,并对不同方法进行了比较和讨论.此外,从元素掺杂、界面工程、空穴工程、修饰特定载体、构建特定纳米结构、设计双或多金属磷化物和其他发展的新方法等七个方面详细总结了促进金属磷化物电催化活性的多种策略,并进行了对比和讨论.最后,归纳了金属磷化物在电催化析氢应用中存在的问题和面临的挑战,并对未来的研究发展提出了展望.     

Nb掺杂调控CoSeS多级纳米结构用于增强析氢反应

电催化析氢(HER)是清洁制氢的一种有效途径,对于氢经济和氢能产业的发展具有重要意义.金属掺杂是提高电催化剂本征活性的有效方法,导电基底的采用也有利于电荷传输和催化性能的整体提高.尽管已有关于硒化物作为HER催化剂的相关报道,但是合成条件有限、导电性、本征活性的影响,其电催化性能仍有提升的空间.此外,在酸性电解液中的腐...     

Research Progress in Hydrogen Evolution Low Noble/Non-Precious Metal Catalysts of Water Electrolysis北大核心CSCD

Hydrogen energy technology with hydrogen as an energy carrier is gaining more and more attention due to its cleanliness and high energy density.Hydrogen fuel cell vehicles have been listed as one of the ultimate energy technologies in the 21st century.Among them, sustainable hydrogen production technology is a necessary prerequisite for the future development of hydrogen energy economy.Electrolyzed water technology driven by renewable resources represents an important way to support the sustainable development of hydrogen energy economy.The development and utilization of high activity, low cost hydrogen evolution catalysts is a key factor in improving the efficiency and reducing the cost of water electrolysis technology.This paper mainly introduces the recent research progress of hydrogen evolution catalysts including low platinum catalysts and non-platinum transition metal catalysts such as metal sulfides metal phosphides, metal selenides, etc; catalytic properties, synthesis methods, and structure-catalytic properties.Finally, the advantages and challenges of water electrolysis low platinum and non-platinum transition metal catalysts in the future development are prospected. © 2018 Chinese Chemical Society. All rights reserved.     

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。     

Highly Efficient Platinum Group Metal Free Based Membrane‐Electrode Assembly for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

Low‐temperature electricity‐driven water splitting is an established technology for hydrogen production. However, the two main types, namely proton exchange membrane (PEM) and liquid alkaline electrolysis, have limitations. For instance, PEM electrolysis requires a high amount of costly platinum‐group‐metal (PGM) catalysts, and liquid alkaline electrolysis is not well suited for intermittent operation. Herein we report a highly efficient alkaline polymer electrolysis design, which uses a membrane‐electrode assembly (MEA) based on low‐cost transition‐metal catalysts and an anion exchange membrane (AEM). This system exhibited similar performance to the one achievable with PGM catalysts. Moreover, it is very suitable for intermittent power operation, durable, and able to efficiently operate at differential pressure up to 3 MPa. This system combines the benefits of PEM and liquid alkaline technologies allowing the scalable production of low‐cost hydrogen from renewable sources.     

Platinum Group Metal–free Catalysts for Hydrogen Evolution Reaction in Microbial Electrolysis Cells

Hydrogen gas is a green energy carrier with great environmental benefits. Microbial electrolysis cells (MECs) can convert low‐grade organic matter to hydrogen gas with low energy consumption and have gained a growing interest in the past decade. Cathode catalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) present a major challenge for the development and future applications of MECs. An ideal cathode catalyst should be catalytically active, simple to synthesize, durable in a complex environment, and cost‐effective. A variety of noble‐metal free catalysts have been developed and investigated for HER in MECs, including Nickel and its alloys, MoS₂, carbon‐based catalysts and biocatalysts. MECs in turn can serve as a research platform to study the durability of the HER catalysts. This personal account has reviewed, analyzed, and discussed those catalysts with an emphasis on synthesis and modification, system performance and potential for practical applications. It is expected to provide insights into the development of HER catalysts towards MEC applications.     

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。     

非贵金属电催化析氧催化剂的最新进展

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.     

Transition metal phosphides: A wonder catalyst for electrocatalytic hydrogen production

Hydrogen evolution from water electrolysis has become an important reaction for the green energy revolution. Traditional precious metals and their compounds are excellent catalysts for producing hydrogen; however, their high cost limits their large-scale practical application. Therefore, the development of affordable electrocatalysts to replace these precious metals is important. Transition metal phosphides(TMPs) have shown remarkable performance for hydrogen evolution and garnered considerable ...     

Transition metal tellurides as emerging catalysts for electrochemical water splitting

Renewable energy powered electrochemical water splitting has been recognized as a sustainable and environmentally-friendly way to produce green hydrogen, which is an important vector to decarbonize the transport sector and hard-to-abate industry, able to contribute to achieving global carbon neutrality. For large-scale deployment of water electrolyzers, it is essential to develop efficient and durable electrocatalysts—one of key components determining the electrochemical performance, based on cheap and earth-abundant materials. To this end, transition metal tellurides (TMTs) have recently emerged as a promising alternative to the conventional platinum group metals for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). This review article provides a brief account of the latest development in TMT-based HER and OER catalysts, with a focus on various strategies developed to improve the catalytic performance, such as nanostructure engineering, composition engineering, and heterostructuring/hybridization. Perspectives of future research on TMT-based catalysts are also shortly outlined.