贵金属纳米复合材料在电解水中的应用进展

氢气是未来代替化石燃料的理想新能源,电解水技术由于操作简单、污染小、产氢纯度高而受到广泛关注.但电解水技术需要有效的催化剂来降低电解过程中高的过电位,降低能耗,提高电解效率.贵金属纳米复合材料由于特殊的结构、尺寸和形貌在电解水方面表现出较强的催化活性,成为本领域研究的热点.本文作者对近年来在电解水中应用广泛的贵金属纳米...     

水电解析氢低贵/非贵金属催化剂的研究进展

氢气作为能量载体的氢能技术由于其清洁性、高能量密度等优势已获得越来越多的青睐与关注. 其中,可持续的产氢技术是未来氢能经济发展的必要先决条件. 通过可再生资源电力驱动的电解水技术是支持氢能经济可持续发展的重要途径,高活性、低成本的析氢催化剂的开发利用是提高水电解技术效率并降低其成本的关键因素. 本文主要介绍了近年来包括低铂催化剂和金属硫化物、金属磷化物、金属硒化物等非铂过渡金属催化剂在析氢方面的研究进展,详细讨论了析氢反应的催化性能、合成方法以及结构?鄄催化性能的关系,最后总结展望了水电解低铂及非铂过渡金属催化剂在未来发展过程中所面临的机遇与挑战.     

负载无定型钌纳米簇的原子级钴掺杂一维碳纳米笼增强析氢催化性能

析氢反应是电解水产制氢的关键反应之一.在碱性条件下,由于催化剂表面与反应过程中产生的氧物种、氢物种与催化剂的吸附未处于最佳状态,析氢反应动力学往往比较缓慢,比在酸性条件下慢2-3个数量级.目前,铂基纳米催化剂被认为是最优的析氢催化剂,但因价格昂贵、稳定性较差,限制了其在电解水器件上的大规模应用.因此,设计一种价格较为低...     

电化学合成纳米材料和小分子材料在电解制氢领域的应用

氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、 增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。     

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。     

超纯氢气发生器

电解超纯氢气发生器是一种新型制备超纯氢设备。它是较理想的色谱气源,也可用于各种需要超纯氢气的场合。因其具有结构简单、使用安全方便等特点,它将在我国生产建设、科学技术各个领域中得到广泛的应用。超纯氢发生器在常温下电解水直接获得极高纯度的氢气。其关键部件是包括一组管状钯合金阴极电解池,其阳极为镍,电解液为氢氧化钠水溶液,电解时在钯阴极管外表面上,电解水产生的氢原子溶入钯合金     

非晶非贵金属催化剂的研究进展及展望（英文）

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.     

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.     

外场强化电解水析氢

电解水析氢过程中的能量消耗及析氢效率有很多影响因素,其中,电荷转移电阻和催化剂表面气泡覆盖率是最为重要的两个因素。研究发现,在电解水析氢过程中利用外场进行强化,可以有效减小电荷转移电阻和催化剂表面气泡覆盖率,如温度场能为反应过程中电荷的转移注入能量,从而降低电荷转移电阻,降低过电位;而电场能直接调整催化剂电子结构或诱导电解液离子重新分布,从而促进界面电荷转移;光场则可以诱导水分子极化,增大剩余电场,同时拉伸水分子中氢键,有利于水分解产生氢气和氧气。因此,在电解池中引入温度场、磁场、超声场、电场、超重力场和光场等外场也是降低能耗、提高析氢效率的有效策略。近年来,关于外场强化电解水的研究工作虽有报道,但研究偏少且未见系统性的归纳总结。本文即综述了近年来在电解水析氢过程中利用外场强化的研究进展。介绍各种外场强化电解水析氢的基本原理,同时通过实验案例分析各外场手段的效果,并总结外场强化电解水析氢面临的挑战及发展方向。     

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。     

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。     

超亲水/超疏气电解水催化剂的研究进展

电解水制氢是一种环保、简便且易于操控的制氢技术。工业化电解水制氢通常在高电流密度下进行,在制氢过程中会产生大量气泡,而气泡在电极表面聚集粘附会覆盖大量活性位点,导致电解水效率降低。因此,调控气体扩散行为对于工业电解水应用来说至关重要。近年来,超浸润材料因为其独特的润湿性能而备受关注。通过控制催化剂表面的化学组成和多尺度微纳米结构可以构建出超浸润界面材料。此类材料具有超亲水/超疏气的界面结构,有助于水相电解液的有效浸润和原位生成气泡的快速释放,从而提升催化剂的水电解性能。系统介绍了2014年至2023年期间报道的部分具有超亲水/超疏气界面结构的电解水催化剂的现状,概述其材料的合成设计策略和水电解催化性能,并对超浸润水电解催化剂的研究现状、面临的挑战和应用前景进行了总结和展望。     

高性能电解水电极催化材料的设计及产品工程

随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向精确定制符合需求的化学品成为化学工程研究发展的探索新方向。电解水制氢是生产高纯氢气并转换储存大规模可再生能源的一种有效方法。为实现高效的电-氢气转换效率,高性能的电解水析氢析氧电极是必不可少的。电解水电极材料具有复杂的化学组成及多层次的结构,其中电极表面催化材料的物理化学性质和形貌结构是决定电解水性能的最主要因素。本文结合本课题组在电解水催化方面的研究工作,综述了近几年国内外电解水电极催化材料的最新研究进展,阐述了电解水电极催化材料以反应机理为导向的催化剂设计理论、以产品性能为导向的催化剂设计方法学（包括纳米结构构筑、晶面调控、载体复合、晶相调节、杂原子掺杂、合金化和聚合物表面修饰）及应用,针对化学产品工程的发展与需要,介绍了电解水电极催化材料跨越分子尺度、微纳结构及合成应用的产品设计和产品工程研究的关键科学问题和发展方向。     

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。     

明胶保护的铂在联吡啶钌体系中光助催化分解水产氢的研究

以联吡啶钌络合物Ru(bipy)₃²⁺为光敏剂,甲基紫精MV²⁺为电子交换的中继物,EDTA为电子给体,氯铂酸钾为催化剂,探讨了该体系在可见光照射下,光还原水产氢的结果。提出了用明胶作为铂催化剂的稳定剂,可以提高放氢的速度和保护催化剂不受破坏。讨论了该体系光助催化分解水产氢的可能的机理。     

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.     

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.     

高活性的碱性析氢电催化剂:氮掺杂类石墨烯包覆的钴-钌纳米合金

<正>氢被认为是环境友好的清洁能源,电催化分解水可以制备高纯氢气,据分析在碱性介质中电解水是最有可能实现产业化制氢的技术~(1–3)。一直以来贵金属都是该领域活性最高的催化剂,然而昂贵的价格和稀缺性限制了它们的广泛使用。近年来,科研人员持续探索致力于将过渡金属发展成高活性碱性析氢电催化剂以降低成本,然而很多催化剂的活性与贵金属相比仍然还有很大的差距。将少量的贵金属与过渡金属合金化是提高过     

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...     

超薄碳包覆过渡金属掺杂磷化钼电解水制氢催化剂

正氢气作为一种能量载体,是质子交换膜燃料电池的重要燃料,具有绿色环保、来源广泛及能量密度高等优势。电催化水分解的产物只有氢气和氧气而无其他副产物生成,可以有效降低温室气体的排放。但是电催化析氢反应需要高效催化剂来加快反应动力学速率并降低能量消耗。目前,铂基金属对催化析氢反应具有接近于热力学反应的电势电位,但是昂贵的价格和稀缺的资源限制了其在工业化中的广泛应用~1。