Ru-Ni/C催化剂在碱性介质中的析氢性能研究

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。     

Co-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢性能

Co-WC复合电极在碱性介质中的电催化析氢性能     

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.     

二硫化钼析氢电催化剂

电解水与一次可再生能源耦合,可同时提供洁净制氢方式与先进的能源转化技术,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色,而实现这一美好愿景的关键在于研发高活性、低成本的析氢/析氧电催化材料。二硫化钼(MoS₂)是颇具代表性的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,先导性理论预测与材料设计、先进制备与表征技术的应用均在改性研究中发挥了至关重要的作用,这也从一个侧面折射出当代电催化剂的研究模式与发展趋势。本文按照重要发现与进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性、构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从全领域总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望其未来发展趋势。     

异质原子在碱性电解水催化剂中的作用——反应机理（英文）

构建低碳绿色能源体系是全世界追求的目标.氢气具有能量密度高、零碳排放的优势,是理想的清洁能源.目前市场上95%以上的氢气来自于与化石燃料相关的工艺,如煤气化、甲烷蒸汽重整等方法,在制氢过程中不可避免地会排放大量的温室气体.电解水制氢具有产氢纯度高、工艺简单、转换效率高等优点,还可直接与可再生能源(如太阳能、风能等)耦合,是一种很有前景的绿色制氢技术.碱性电解水,由于廉价的非贵金属基材料(如Fe、Co、Ni、Cu等)可以在电解槽中很好地工作,展现出了良好的应用前景.为了进一步提高非贵金属电催化剂分解水的催化活性,科研人员从增加活性位点数量和提高单个活性位点的本征活性两方面着手,发展新的高效电催化剂.独特的纳米结构设计能够增加催化剂的活性位点数量,进而提高催化剂的催化活性,但催化性能的提高程度有限.增加单个活性位点的本征活性是从本质上提高催化剂活性的另一种有效策略.其中,异质原子修饰是提高催化剂本征活性最有效的方法之一,它可以通过调节催化剂的物理化学性质来提高催化剂的本征活性,包括诱导相变、提高电导率、调整电子密度和建立双催化位点等.本文基于电解水析氢反应(HER)和析氧反应(OER)在碱...     

铁基阳极析氧催化剂的研究进展与展望

利用电解水制氢来储存太阳能是未来能源发展的一大趋势。 水的阳极氧化是这一过程中最重要也是最复杂的一步。 因此,设计稳定而高效的水氧化催化剂是电解水制氢的关键。 目前,研究比较成熟的是基于贵金属钌的水氧化催化剂,但由于其价格昂贵、储量较少无法大规模利用。 铁作为钌的同族元素用于水氧化催化近年来受到了越来越多的关注。 本文从铁基阳极水氧化催化剂研究现状、制备方法、催化体系及机理3个方面对电解水铁基阳极催化剂进行了综述。 分析其当前存在的问题,为水氧化催化剂的进一步研究设计提供参考。     

钌基单原子和团簇催化剂用于电催化碱性析氢反应

近年来, 单原子催化剂(SAC)因其原子利用率高, 金属负载量低而得到广泛研究. 然而, 由于单原子表面自由能过高, 原子处在不稳定状态, 在合成或催化过程中易发生团聚, 对于碱性析氢反应(HER)的活性不是很高. 但将单原子与具有不同活性位点的团簇结合起来一定程度上可突破SAC在反应中间体等方面的瓶颈. SAC和团簇催化剂相互竞争产生的协同效应可以显著提高催化剂的性能. 我们针对钌基单原子和团簇催化剂在HER方面的研究进行了概述, 同时对碱性HER的机理进行简要分析, 最后提出了碱性HER Ru基催化剂面临的挑战.     

碱性介质中氢氧化和析氢反应机理研究现状

氢氧燃料电池和电解水是实现氢能循环利用的两个重要系统,其中氢氧化反应(HOR)和析氢反应(HER)因在碱性介质中的反应速率较酸性介质中慢2至3个数量级,成为阻碍碱性燃料电池与电解水制氢发展的主要瓶颈。深入研究碱性介质中的HOR/HER机理,探究碱性与酸性电解质中HOR/HER活性差异之根本原因,对发展低温碱性能源转化器件具有重要意义。据此,本文综述了近年来碱性介质中HOR/HER机理的相关解释与推论,如双功能机理、氢结合能(HBE)理论与电子效应,及各观点间存在的争议;并从理论计算的角度,介绍了目前电化学界面的理论模拟方法及其在HOR/HER研究中的应用。由于电化学反应系统的复杂性,实验与理论计算的结合有助于理清HOR/HER的机理以及pH效应,并有望应用于指导设计高活性、高稳定性的HOR/HER催化剂。     

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。     

Decoupled electrolysis for water splitting

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镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂用于析氢和析氧反应

开发高活性、低成本的析氢反应和析氧反应电催化剂对于能源的可持续发展至关重要。金属有机框架衍生的纳米材料已经成为一类非常有前景的非贵金属双功能电催化剂,但是目前对镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂的深入研究并不全面,其催化活性和稳定性还有待进一步提高。本文制备了一种棒状多孔碳负载镍纳米颗粒的新型电催化剂,并将其用作电催化析氢和析氧反应。实验研究结果表明该类电催化剂表现出优异的析氢和析氧反应活性和长期稳定性,在10 mA·cm⁻²的电流密度下,析氢反应和析氧反应的过电位分别为120和350 mV。我们认为：材料可控的纳米结构和均匀分布的活性位点共同提升了复合材料的电催化性能。     

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.     

Recent trends in hydrogen and oxygen electrocatalysis for anion exchange membrane technologies

This review aims at presenting recent findings in the understanding of oxygen and hydrogen electrocatalysis in alkaline electrolytes that are key processes for the emergence of sustainable energy storage and conversion devices such as anion exchange membrane fuel cells and electrolyzers. In these systems, the exchange of electrons through electrochemical reactions provides a unique pathway to reversibly convert the electricity vector into chemical one: hydrogen. A concise and critical review of advances made during the last past years in the design of catalysts is provided. Challenges and opportunities for the development of the next catalyst generation are also addressed.     

三维百合花状的CoNi2S4作为先进的双功能电催化剂用于氢析出和氧析出反应

为简化电解水催化剂的合成过程和优化电解水操作系统, 双功能电解水催化剂的研究, 特别是在碱性条件下同时具有优异催化氢析出和氧析出反应性能的双功能电催化剂的研究尤为重要. 其中, 过渡金属硫化物, 特别是 CoNi 硫化物, 被报道有与氢化酶类似的催化活性中心, 从而具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能. 虽然有关对过渡金属硫化物的研究很多, 但主要集中在具有一维纳米线和二维纳米片形貌结构的过渡金属硫化物. 不幸的是, 这些形貌结构的过渡金属硫化物在电催化过程中容易聚集和受限于电荷传输能力. 三维纳米结构的材料具有较大的比表面积以分布更多的活性位点和拥有良好的电子传输能力, 所以, 开发三维纳米结构的过渡金属硫化物材料可能是改进其催化电解水性能的一个好途径. 本文采用简单的两步水热法, 通过硫化合成的 CoNi 前体得到了长于泡沫镍上的三维百合花状的 CoNi2S4(Co-Ni2S4/Ni). 它只需要 54 mV 的过电位即可获得 10 mA cm-2的催化氢析出反应电流, 是最好的碱性催化氢析出反应电极材料之一. 它在驱动 100 mA cm-2的催化氧析出反应电流时也只需要 328 mV 的过电位. 另外, 把 CoNi2S4/Ni 分别作为阴极和阳极组装成双电极碱性水电解槽时, 它只需要 1.56 V 的电压即可获取 10 mA cm-2的催化全电解水电流并具有良好的催化全电解水稳定性.扫描电子显微镜、透射电子显微镜和 N2吸脱附曲线测试结果表明, 该三维百合花状的 CoNi2S4/Ni 的表面粗糙度高和拥有多孔特性. 多孔结构的 CoNi2S4/Ni 可提供更多可接触的催化活性位点, 也有利于催化过程中的电解质和生成的气体的扩散与传递. 交流阻抗图谱测试结果表明, CoNi2S4/Ni 具有良好的电子传输能力. 另外, 不同于前期对尖晶石结构的硫化物 AB2S4的研究结果, XPS 结果表明, CoNi2S4/Ni 中含有 Niб+和 Sб-活性物种, 表明 CoNi2S4具有与活性氢化酶类似的活 性中心. Niδ+和 Sδ-可分别作为氢氧根和质子的接收体, 协助促进吸附的水分子的分离, 从而提高材料的催化性能. 所以, Niδ+和 Sδ-活性物种的出现, 大比表面积的三维百合花状多孔结构和良好的电荷传输能力等特性集合于 CoNi2S4/Ni 上使得CoNi2S4/Ni 具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能.     

Progress of transition metal chalcogenides as efficient electrocatalysts for energy conversion

The continuous excessive usage of fossil fuels has resulted in its fast depletion, leading to an escalating energy crisis as well as several environmental issues leading to increased research towards sustainable energy conversion. Electrocatalysts play crucial role in the development of numerous novel energy conversion devices, including fuel cells and solar fuel generators. In particular, high-efficiency and cost-effective catalysts are required for large-scale implementation of these new devices. Over the last few years, transition metal chalcogenides have emerged as highly efficient electrocatalysts for several electrochemical devices such as water splitting, carbon dioxide electroreduction, and, solar energy converters. These transition metal chalcogenides exhibit high electrochemical tunability, abundant active sites, and superior electrical conductivity. Hence, they have been actively explored for various electrocatalytic activities. Herein, we have provided comprehensive review of transition-metal chalcogenide electrocatalysts for hydrogen evolution, oxygen evolution, and carbon dioxide reduction and illustrated structure–property correlation that increases their catalytic activity.