纳米NiO-Y复合阴极材料的制备及微生物电解池催化产氢性能

在Y分子筛的溶胶反应体系中加入碳球,经老化、水热晶化反应得到纳米Y分子筛,通过等体积浸渍（incipient-wetness impregnation,IWI）方式负载镍盐前驱体,经焙烧制备纳米NiO-Y复合材料,采用XRD、SEM、TEM、XPS、TG-DTG和N₂吸附-脱附等手段对其物理化学性质进行表征。结果表明,合成的NiO-Y复合材料样品的晶粒粒径为500 nm,具有微-介孔多级孔道结构。总比表面积达到774.3 m²/g,孔容为0.495 cm³/g,有利于暴露更多的活性位。通过线性扫描和塔菲尔曲线电化学测试评价发现,当镍盐负载量为30%（质量分数）时,纳米NiO-Y复合材料作为微生物电解池阴极具有较高的电催化活性。在运行周期内,样品的最大析氢电流密度达到22.87 A/m²,产气总量中H₂含量占73.71%,产氢效率为0.393 m³/（m³·d）,与Pt/C阴极产氢效率相近。     

NiY分子筛的合成及在微生物电解池阴极的析氢性能研究

在Na₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O体系中添加硝酸镍,采用导向剂法合成了NiY分子筛。利用XRD、SEM、TEM、N₂吸附-脱附等手段对合成的NiY分子筛进行了表征。结果表明,随着镍添加量的增加,结晶度和zeta电位呈先增大后减小的趋势。当Si/Ni （mol ratio）大于5时,硝酸镍对分子筛的形成具有促进作用,当Si/Ni （mol ratio）小于5时,则具有抑制作用。晶粒粒径为1.5-3 μm,形貌为凹槽结构的六方或四方柱型,且具有微孔-介孔多级孔道结构特征。通过循环伏安曲线和极化曲线测试,在Si/Ni （mol ratio）=5时,样品的氧化还原性能最强,过电势最小,电催化活性最高。在12 h内,每4 mg的Si/Ni （mol ratio）=5样品,产气总量为10.1 mL,氢气纯度达81.69%,与Pt电极相比其氢气产量提高了28%。NiY分子筛表现出良好的析氢催化活性,有望取代Pt成为MEC新型阴极材料。     

MoS2/GQDs催化剂的制备及微生物电解池的产氢性能研究

通过水热法合成了一系列MoS₂/GQDs复合材料,并制成碳基复合电极。利用电化学测试手段挑选出最佳电极后用于微生物电解池（MEC）阴极的产氢性能研究。实验结果显示： Na₂MoO₄、半胱氨酸和GQDs的最佳原料配比为375:600:1,制备出的MoS₂/GQDs呈现明显的爆米花样纳米片结构,片层厚度在10 nm左右,当碳纸负载量为1.5 mg·cm^-2时,MoS₂/GQDs碳纸电极的析氢催化能力最佳。在MEC产氢实验中,MoS₂/GQDs阴极MEC的产气量、氢气产率、库仑效率、整体氢气回收率、阴极氢气回收率、电能回收率和整体能量回收率分别为51.15±3.15 mL·cycle^-1、0.401±0.032 m³H₂·m³d^-1、91.16±0.054%、66.64±5.39%、72.44±2.60%、217.26±7.42%和77.37±1.50%,均略高于Pt/C阴极MEC或与之媲美。另外,MoS₂/GQDs具有良好的长期稳定性,且价格便宜,有利于实际应用。     

废旧金属网阴极微生物电解池产氢性能及阳极微生物群落结构分析

为寻找质优价廉的析氢催化剂,本研究以废旧金属网为单室微生物电解池(MEC)阴极,在不同外加电压下考察其制氢性能. 同时利用16S rDNA扩增测序技术分析原接种污泥、MFC和MEC阳极微生物的菌落特点. 实验结果表明,随着外加电压的增大,MEC产生的最大电流密度和周期运行时间分别呈现增大和缩短的趋势. 外加0.7 V电压时,废旧金属网阴极MEC的氢气产率和电能回收率分别达到0.330±0.012 m³H₂·m^-3·d^-1和177.0±5.6%,远高于0.5 V时的数值,与0.9 V时相差不大. 废旧金属网阴极MEC的产氢能力可以和Pt/C阴极MEC相媲美,且具有良好的运行稳定性. 16S rDNA扩增测序结果显示培养环境对微生物的富集与淘汰有很大影响. 在外加电场环境中MEC阳极的优势菌落地杆菌属(Geobacter)得到很大程度富集,相对丰度高达79.4%以上.     

碳化钨负载纳米铂催化剂的制备及其析氢催化性能

以喷雾干燥处理的偏钨酸铵为前驱体, 采用CH4/H2为还原碳化气氛, 利用固定床气固反应法制备了具有介孔结构的碳化钨(WC)粉体. 然后通过浸渍法制备了Pt/WC粉末催化剂. 通过XRD和SEM等测试手段对Pt/WC粉末样品进行了表征, 结果表明, Pt颗粒平均直径约为13.5 nm, 且均匀分散在介孔结构WC载体上. 采用循环伏安和线性扫描等方法研究了酸性介质中Pt/WC粉末微电极对电化学析氢过程的电催化行为. 结果表明, 该电极对析氢反应具有很好的电催化活性和化学稳定性. 通过测试和计算, Pt/WC粉末微电极的Tafel方程中的a值为0.292 V, 属于低超电势析氢材料, 析氢交换电流密度为4.42 mA·cm-2, 与铂电极在同一个数量级上, 当超电势为250 mV时, 其析氢反应的活化能为26.20 kJ·mol-1.     

提升二维材料的电催化析氢和光催化析氢性能的策略

世界能源危机问题和环境问题日益突出,寻找低廉、易得且能够替代化石的清洁能源是目前研究的热点.氢气具有可再生性、安全、高能量密度、环境友好型等优点,因而成为替代化石燃料的首选.在众多途径中,电催化产氢和光催化产氢是目前应用较广且比较成熟的方法,其工艺过程简单、无污染,但由于效率较低或生产成本较高等因素,其大规模应用受到一...     

纳米八面体形FeP@PC的制备及催化析氢性能

以UIO-66为载体, 经过FeCl₃化学气相沉积、 原位碳化和磷化及HF刻蚀等步骤制备了多孔FeP@PC催化剂. 利用X射线衍射仪、 场发射透射电子显微镜、 X射线光电子能谱仪和气体吸附仪等对催化剂的结构、 形貌和比表面积等进行了表征; 同时采用线性扫描伏安法和电化学阻抗谱等对其电化学性质进行了考察. 结果表明, FeP@PC保持了原UIO-66的八面体多孔结构, 比表面积为83 m ²/g; 仅需要过电位156 mV即可驱动电流密度10 mA/cm ², 塔菲尔斜率为84 mV/dec, 电荷转移电阻为44 Ω, 电化学活性表面积为13.9 mF/cm ²; 在持续电解12 h和循环1000次后, 催化剂的活性几乎没有衰减.     

电化学法制备Ni-W-P纳米线阵列电极及其催化析氢性能

采用二次氧化法制备了多孔阳极氧化铝(AAO)模板, 通过控制电位沉积技术在AAO模板内组装了Ni-W-P合金纳米线阵列. 在扫描电子显微镜(SEM)下观察到Ni-W-P纳米线表面光滑, 长约20 μm, 直径均匀(约为100 nm), 与AAO模板孔径基本一致. 阴极极化曲线和交流阻抗图谱(EIS)的测试结果表明, Ni-W-P合金纳米线阵列电极析氢反应(HER)电阻减小, 具有更高的催化析氢活性, 电流密度为10 mA·cm^-2时, 析氢极化电位较Ni-W-P合金电极正移约250 mV.     

二维材料用于电催化析氢的研究进展

电催化水分解因其丰富的原料来源和环境友好被认为是一种有前途的制氢技术. 开发用于电催化析氢反应的高效电催化剂是迫切需要的. 随着石墨烯的兴起, 二维(2D)材料因其独特的物理、 化学和电子特性, 已逐渐成为水电解的潜在候选材料. 本文介绍了二维材料用于电化学水分解产生氢气的最新进展, 概括了二维材料的合成方法, 总结了改善二维材料电化学析氢性能的策略, 讨论了该领域面临的挑战和未来的发展机遇.     

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.     

Ni-Mo/LaNi5多孔复合电极的制备及其电催化析氢性能

用复合电沉积及碱液溶解法制备了Ni-Mo/LaNi₅多孔复合电极. 运用扫描电镜和X射线衍射表征了复合电极的多孔两相复合结构. 在20% (w) NaOH溶液中, 采用稳态极化、电化学阻抗技术研究了Ni-Mo/LaNi₅多孔复合电极的电催化析氢性能, 电化学脱附为整个反应的控制步骤. 用循环伏安、长时间间断电解和差示扫描量热实验评价了该电极的稳定性能. 结果表明, 含有LaNi₅的多孔复合电极的电催化性能得到了提高, 并且具有优异的抗断电性能.     

氢取代石墨单炔的机械化学合成及其电催化特性

氢取代石墨单炔是一种仅由苯环上的sp²杂化碳和氢与乙炔基上的sp杂化碳组成具有与石墨炔相似平面网状结构的二维富碳材料。本文以碳化钙和三溴苯为原料,通过机械化学方法合成了氢取代石墨单炔,并通过X射线电子能谱、拉曼光谱、固体核磁共振成像¹H谱和透射电子显微镜加以证实。紫外可见漫反射吸收光谱和电化学测试表明样品为p型半导体,带隙为2.30 eV,在硫酸钠溶液(pH = 7)中的析氧起始过电位为0.04 V,在催化产氧和光催化方面具有应用潜力。     

电沉积多孔复合Ni-P/LaNi5电极及其析氢电催化性能

采用复合电沉积制备了Ni-P/(LaNi₅+Al) 复合镀层, 然后将镀层浸泡在浓碱液中除铝, 成功得到多孔复合Ni-P/LaNi₅电极. 通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)仪等技术表征了电极的表面形貌、组成和相结构. 运用电化学线性伏安扫描(LSV)、恒电位电解、电化学阻抗谱(EIS)等手段研究了电极在20%(w) NaOH溶液中的析氢反应(HER)电催化性和稳定性. 结果表明, 与多孔Ni-P 电极相比, 多孔复合Ni-P/LaNi₅电极具有低的析氢过电位、高的比表面积和高的稳定性能; 多孔Ni-P/LaNi₅电极的析氢反应的表观活化自由能为35.44 kJ·mol^-1, 低于多孔Ni-P 的值(50.91 kJ·mol^-1).     

锌掺杂NiCoP多孔双层阵列电极材料的制备及电催化产氢性能

通过水热、 原位磷化及HCl选择性刻蚀的方式构建了一种在泡沫镍上生长的新型Zn掺杂NiCoP多孔双层阵列结构, 与传统的单层阵列相比, 顶层纳米叶片阵列在泡沫镍载体上的底层纳米线阵列上均匀生长, 最大限度地暴露出催化的活性位点, 提供了较大的电解液接触面积. 多孔等级结构也加速了氢气泡的释放. 结果表明, 优化后的多孔H-Zn-NiCo-P催化剂在碱性电解液(1 mol/L KOH)中展现出优异的电解水产氢性能. 该材料驱动电流密度10和100 mA/cm²所需要的过电位仅为59和156 mV, Tafel斜率为66 mV/dec, 且表现出良好的电化学稳定性.     

Ni-Co-LaNi5复合电极材料在碱性介质中的电催化析氢性能

电催化析氢反应是电能向化学能转化的一个有效途径,是电化学科学中一个非常值得深入研究的课题。阴极析氢超电势的降低,是提高析氢活性,降低电解能耗的关键。为了提高电极的电催化活性,一是可通过提高电极表面的真实表面积,来降低电解过程中电极表面的真实电流密度,达到降低析氢超电势的目的;另一发展方向是提高电极材料本身的电化学活性,即寻找高催化活性的新型析氢材料犤1犦。由于过渡金属具有特殊的d电于结构,是目前公认的电化学活性最好的电极材料,而在过渡金属中,Ni及Ni合金将是研究的主要方向,其中多元合金复合材料将成为该技术发展…     

生物阴极微生物燃料电池不同阴极材料产电特性

以葡萄糖(COD初始浓度为2000 mg/L, COD为化学需氧量)为阳极燃料底物, 考察了碳纤维刷和柱状活性碳颗粒作为生物阴极微生物燃料电池(MFC)阴极材料的产电性能. 研究结果表明, 碳纤维刷MFC的启动时间比碳颗粒MFC的长, 达到稳定状态后的恒负载(300 Ω)电压(0.324 V)比碳颗粒阴极MFC的(0.581 V)低. 极化分析结果表明, 碳纤维刷MFC和碳颗粒MFC的最大功率密度分别为24.7 W/m3(117.2 A/m3)和50.3 W/m3(167.2 A/m3). 电化学交流阻抗谱(EIS)测定结果表明, 由于电极材料对微生物生长和分布状态存在不同的影响, 使得碳纤维刷阴极MFC的极化内阻大于碳颗粒阴极MFC的极化内阻.