纳米非晶镍硼合金的合成及其碱性电催化析氢性能研究（英文）

可持续能源电解水制氢是实现零碳排放氢经济的有效途径。碱性环境下的电催化析氢反应(HER)是电解水技术主要的能量转换过程之一。开发高活性、低成本的非贵金属催化剂是碱性电解水析氢反应的关键所在。本研究以壳寡糖为保护剂,采用简单易行的化学还原法制备了纳米NiB非晶合金电催化剂并用于碱性析氢反应。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电感耦合等离子体分析(ICP)和X射线光电子能谱(XPS)等多种表征方法研究了不同条件下获得的催化剂结构组成及特征物性参数。结果表明,壳寡糖的加入可以有效调控纳米粒子的平均粒径为4 nm左右,提升活性比表面积,增加活性位点,从而提高其电催化活性。所制备的NiB-COS在1.0 mol/L NaOH中表现出优异的HER性能,析氢反应起始过电位仅为15.1 mV,在电流密度为10 mA/cm²时HER过电位为49.4 mV,Tafel斜率为86.1 mV/dec,为制备高活性、低成本、简单易得的HER电催化剂提供了重要策略。     

非晶态NiP基催化剂的制备及电催化析氢性能研究（英文）

以NaH_2PO_2和Ni_2SO_4为磷源和镍源,使用一锅法合成了非晶态NiP合金及其碳纳米(乙炔黑和石墨烯)复合催化剂。用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、热重分析(TGA)、电感耦合等离子体光谱仪(ICP)分别对催化剂性能和组成进行了表征和分析。通过线性扫描伏安对催化剂在酸性和碱性条件下的析氢性能进行了评价,研究结果表明,非晶态NiP/还原氧化石墨烯复合催化剂(NiP/RGO)展现出优异的电催化性能。在0.5 mol/L H_2SO_4中的起始过电位为89.0 m V,塔菲尔斜率为135.1 m V/decade;在1 mol/L NaOH中,起始过电位为116.1 m V,塔菲尔斜率为122.4 m V/decade,这与商业化Pt黑催化剂很接近。500次循环以后,催化剂活性没有明显下降,表明该催化剂具有良好的稳定性。该研究提供了一种简单可行的制备非贵金属磷化物方法用于电催化析氢反应。     

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.     

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.     

Ni/AC电催化剂在中性溶液中的析氢电催化性能

The Ni/active carbon (AC) electro-catalyst was prepared by chemical reduction method using coconut carbon as the support. Morphologies and structures of Ni/AC were measured and characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The activity of the Ni/AC membrane electrodes were studied in the neutral electrolyte using Tafel polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results showed that the average size of nickel particles on the active carbon were in nano-size range. The exchange current density of hydrogen evolution reaction (HER) of Ni/AC electro-catalysts was seventy-five times more than pure nickel, so Ni/AC electro-catalysts had better electro-catalytic activity. In 1 mol·L^-1 NaCl electrolyte, the Tafelian behavior′s hydrogen evolution reaction (HER) of Ni/AC electro-catalyst at high over-potential existed in two Tefal regions. These two regions were named as “regionⅠ:0.318～0.456 V” and “regionⅡ: 0.120～0.288 V”. The rate step of regionⅠ was electron transference step. The rate step of region Ⅱ was concentration polarization.     

蚀刻金属铝箔覆型制备Ni-P微阵列材料及析氢电催化性能研究

以蚀刻金属铝箔为模板,用化学镀制备了具有微米阵列结构的Ni-P合金材料,使用扫描电镜、能量散射谱及X-射线衍射等表征手段对所得材料的微观形貌与物质组成进行了分析,并通过电化学方法研究了化学镀温度、施镀时间对材料析氢催化活性的影响。结果表明,70℃制得的Ni-P微阵列材料作电极其析氢过电位最小,电流密度为15m A/cm2时比光面Ni-P镀层下降了约100m V;同时表现出最高的交换电流密度13.53×10-6A/cm2,高出光面Ni-P镀层近1个数量级;70℃施镀4h能够得到析氢过电位较低且结构完整的镀层,延长镀时没有继续提升其性能。为直观衡量材料的催化活性,在双室槽中进行了光解水析氢测试。Ni-P微阵列材料表现出良好的催化活性,析氢速率较光面电极上升约200%。     

双金属氮化物NiMoN析氢催化剂制备及其电解海水析氢性能的研究

电解水制氢是最具潜力的绿氢制备技术, 而高效析氢反应(HER)催化剂的开发对其大规模推广意义重大. 选用氯化镍和钼酸铵为镍源和钼源, 通过原位生长法获得NiMo双金属催化剂前驱体, 再以二腈二胺为氮源, 高温氮化-程序升温法制备了一系列NiMo_xN@NC催化剂(x代表钼酸铵和氯化镍的物质的量比), 并对催化剂进行了结构、形貌以及金属价态表征. 分别在1 mol/L KOH碱液以及模拟海水中分析了析氢(HER)性能. 结果表明, 碱液中NiMo_xN@NC催化剂均具有良好的电荷转移速率(R_ct<1 Ω), 具有较好的内在催化活性(Tafel斜率103~168 mV/dec). 其中, NiMo_0.75N@NC催化剂具有最高的极限电流(–178 mA/cm²), 最小的过电势η₁₀=0.164 V, η₁₀₀=0.448 V), 最高的内在催化活性, Tafel斜率只有103 mV/dec, 且具有较好的稳定性. 在海水中, 在10 mA/cm²和40 mA/cm²的负载电流下, NiMo_0.75N@NC催化剂依旧表现出了较好的稳定性.     

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.     

PtRu/氮掺杂碳电催化甲醇氧化及电解水析氢性能

将三聚氰胺、RuCl₃及炭黑以一定的比例分散于乙醇中,采用旋转蒸干及高温热处理合成了一种氮掺杂碳(NC)负载Ru的Ru/NC催化剂。采用硼氢化钠液相化学还原法合成了不同Pt、Ru负载量的PtRu/NC催化剂,并用于电催化甲醇氧化反应(MOR)及电催化分解水析氢反应(HER)。结果表明,合成的催化剂中Pt₁Ru/NC(Pt、Ru的实际负载量分别为1.14%、0.54%)表现出最优的MOR性能,质量活性达4.96 A·mg^-1_PtRu,且经10 000 s稳定性测试后质量活性保持在测试前的91.1%。同时,当电流密度为100mA·cm^-2时,Pt₁Ru/NC在 HER中表现出最低的过电位(103 mV)和最小的 Tafel斜率(15.29 mV·dec^-1)。通过 X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、STEM-能谱(STEM-EDS)技术表征了PtRu/NC双金属催化剂,其具有优异催化性能的原因如下：(1) PtRu双金属纳米颗粒高度分散于NC上;(2) Pt以纳米团簇或单原子形式负载于Ru上,后负载于NC,形成了Pt-Ru相分离结构;(3) Pt、Ru与N之间存在协同效应。     

碳纳米纤维负载铁钴镍硼化物可控制备及其电催化析氢性能研究

通过乙醇催化燃烧法制备了碳纳米纤维（CNFs），采用化学沉积法在CNFs载体上负载铁钴镍硼化物（FeCoNiB），并以多种测试手段对其表征，研究了化学沉积工艺条件对FeCoNiB粒径、分散、成分及结构的影响，建立了碳纳米纤维负载的铁钴镍硼化物（FeCoNiB/CNFs）可控制备方法。采用电化学测试手段研究了FeCoNiB/CNFs在碱性环境下的氢气析出反应（HER）催化性能。结果表明，在100 mA/cm²的电流密度下，FeCoNiB/CNFs的过电位仅为366 mV，塔菲尔斜率低至41 mV/dec；在持续10 h的稳定性测试中电位衰减幅度很小，基本保持不变。这说明FeCoNiB/CNFs制备成本低，但其高稳定性可媲美贵金属的高催化活性HER催化剂；该研究可为非贵金属HER催化剂的研制及低成本电解水制氢技术的规模化应用提供参考。     

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.     

NiFe水滑石纳米片阵列负载Ru用于提升碱性电催化析氢和析氧性能

通过离子交换的方式将Ru负载到NiFe水滑石(LDH)纳米阵列表面得到(Ru/NiFe LDH),Ru的引入显著提升了NiFe LDH的活性比表面积,暴露了更多的活性位点,同时调控了其电子结构,大大提升了其本征催化活性。在碱性条件下,催化析氢反应时仅需50 mV的过电位即可达到10 mA·cm^-2的电流密度,Tafel斜率为52.3 mV·dec^-1。而相同条件下原始NiFe LDH达到10mA·cm^-2的电流密度则需要226 mV的过电位,Tafel斜率为157.5 mV·dec^-1。同时制备的Ru/NiFe LDH也展现出了良好的析氧催化活性,在50 mA·cm^-2的电流密度下,过电位仅为231 mV,而NiFe LDH则需237 mV。Ru/NiFe LDH在长时间的电催化条件下依然能保持良好的工作稳定性。     

NiFe水滑石纳米片阵列负载Ru用于提升碱性电催化析氢和析氧性能

通过离子交换的方式将Ru负载到NiFe水滑石（LDH）纳米阵列表面得到（Ru/NiFe LDH）,Ru的引入显著提升了NiFe LDH的活性比表面积,暴露了更多的活性位点,同时调控了其电子结构,大大提升了其本征催化活性。在碱性条件下,催化析氢反应时仅需50 mV的过电位即可达到10 mA·cm^-2的电流密度,Tafel斜率为52.3 mV·dec^-1。而相同条件下原始NiFe LDH达到10mA·cm^-2的电流密度则需要226 mV的过电位,Tafel斜率为157.5 mV·dec^-1。同时制备的Ru/NiFe LDH也展现出了良好的析氧催化活性,在50 mA·cm^-2的电流密度下,过电位仅为231 mV,而NiFe LDH则需237 mV。Ru/NiFe LDH在长时间的电催化条件下依然能保持良好的工作稳定性。     

基于多金属氧酸盐催化剂的光驱动产氢研究进展

能源和环境问题是21世纪人类面临的两个巨大挑战.鉴于此,为了实现人类社会的可持续发展,寻求能够替代化石能源的安全无污染可再生能源已迫在眉睫.太阳光驱动水分解是实现太阳能转化生产清洁可再生氢能的理想方法,其分解产物氢气和氧气在燃烧释放能量的同时生成洁净无污染的可饮用水,实现了完美的可持续能量循环,对于解决当今全球面临的能源危机与环境污染问题具有巨大的应用价值.然而,长期以来光驱动水分解所面临的巨大难题是半反应动力学非常缓慢,通常需要克服较高的能量势垒,导致整体能量转化效率低.利用非贵金属制备高催化效能、低成本的水分解催化材料成为该领域的研究热点和难点.目前,已报道的光驱动产氢催化剂可以被归纳为两大类:均相催化剂和异相催化剂.均相催化剂通常具备高催化活性、高选择性以及易于进行机理研究等优点,而异相催化剂则具备廉价、易得和高稳定性等优点;然而它们也存在一些不容忽视的问题,如均相催化剂的低稳定性、易分解失活,异相催化剂表面易被毒化失活、低催化转化数及转化频率等.如何设计合成兼具二者优点的产氢催化剂吸引了领域内研究者的广泛关注.作为一类新兴的多电子转移催化剂,多金属氧酸盐因其丰富多样的合成策略以及高度可调的物理化学及光化学性质,已被广泛用于催化水分解制氢气研究.该类多金属氧酸盐催化剂具备了介于均相分子化合物和异相金属氧化物之间的结构,这种独特的结构赋予它们同时具备均相分子催化剂的高活性、高选择性、高可控性、易于进行机理性研究等优点,又具备异相金属氧化物催化剂的廉价易得及稳定性高等优势.随着研究的开展,基于多金属氧酸盐的光催化产氢体系已由当初的贵金属辅助逐渐转变为丰产元素参与,光源的选择方面也从与太阳光谱匹配度低的紫外光转变为可见光.本文对30多年来基于多金属氧酸盐催化剂的光驱动产氢成果进行了综述,主要包括有/无贵金属辅助的多金属氧酸盐,多酸@金属有机框架复合物,多酸-半导体复合材料在紫外光或可见光条件下的光催化产氢研究;同时讨论总结了不同类型催化体系的反应机理;并对该领域的未来发展趋势及研究方向进行了展望.     

Electrocatalytic properties of cobalt-molybdenum alloy deposits in the hydrogen evolution reaction

Electrocatalytic activity of cobalt-molybdenum deposits is studied in the hydrogen evolution reaction (HER) in an alkaline solution. The studied electrode materials were obtained electrochemically in the galvanostatic mode. It is shown that the rate of hydrogen evolution in 1 M NaOH at 293 K at the Co-Mo alloy is higher, as compared to pure cobalt deposits obtained in similar conditions, which is due both to the increase of the electrode true surface area and possibly to the electronic structure of the obtained alloys. It is established that the hydrogen reaction exchange current grows at the increase of molybdenum content in the electrode deposits in the range of 0–40 at %.     

Spin polarisation in dual catalysts for the oxygen evolution and reduction reactions

Strongly correlated catalysts can be understood from precise quantum approximations. Incorporating properly electronic correlations thus let’s define Spin rules in catalysis, opening a new door towards optimum compositions for the most important reactions for a sustainable future.     

光催化制氢中助催化剂表面氢氧复合反应的抑制

在光催化分解水产氢的过程中,Pt等助催化剂在催化产生氢的同时也会诱导催化氢气和氧气重新复合为水的逆反应,严重降低了悬浮体系光催化全分解水产氢的效率。本文综述了近年来在逆反应抑制方面的研究进展,总结和对比分析了各种抑制逆反应策略的特点,并对这些方法的应用于悬浮体系光催化全分解水制氢的前景进行了展望。     

Electrocatalytic hydrogen evolution of conducting coordination polymers based on 1,1,2,2-ethenetetrathiolate

Electrocatalysis based on metal–organic coordination polymers (CPs) catalyst, especially metal-1,1,2,2-ethenetetrathiolate (ett), has received increasing attention due to their high-electrical conductivity, unique morphology and excellent redox activity. Here, amorphous powder of CPs is synthesized and firmly coated on the surfaces of carbon fiber cloth (CFC), then serves as active electrocatalyst for hydrogen evolution reaction (HER). The operating overpotentials of the poly[K_x(M-ett)] (Co, Ni or Cu) are 0.43, 0.36, 0.45 V, respectively, at a current density of 10 mA cm⁻² with pH = 0, along with the Tafel plot of 144, 153, 329 mV dec⁻¹. Moreover, they show remarkable electrolysis stability under harsh acid conditions. This study extends the HER application of poly[K_x(M-ett)] coating on CFC surfaces.