硼氢化钠催化水解制氢*

硼氢化钠（NaBH₄）催化水解制氢是一项具备车载氢源应用前景的储氢/制氢一体化技术。本文介绍了该技术催化水解制氢的原理,综述了制氢催化剂、反应动力学、反应机理、反应装置的设计和反应副产物回收利用的最新研究进展,讨论了该技术研发中需解决的问题。水解制氢系统的实际应用需研发高效、耐久性负载型催化剂。制氢装置的设计应考虑反应热的综合利用、燃料电池产生的水循环利用及膜分离技术的应用。NaBH4的高效再生将降低其生产成本,实现NaBH4基水解制氢系统的商业化应用。     

铝基材料水解制氢技术

氢能作为一种高焓值的绿色能源在解决未来能源危机和环境污染中备受关注,而铝水反应在众多制氢途径中被认为是最具优势的方法之一。本文着重论述了近几年铝基材料水解制氢技术的研究进展。铝水制氢是一种很有发展前景的储存和运输氢能的方式,但Al表面致密的氧化层阻碍了铝水反应的进行,使其难以在常温常压情况下产生氢气。为充分开发利用氢能源,可采用添加碱、氢化物、金属氧化物、无机盐等方式,或将金属单质与Al通过烧结、熔炼、球磨等先进的技术手段进行复合,能够有效地活化Al,从而实现低环境温度、短诱导时间、快产氢速率、高转化率的铝水反应,为燃料电池电动汽车现场供氢。     

碱性电解水高效制氢

与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。     

增强制氢性能的ZnO@ZnS空心微球S型异质结光催化剂

随着近年来工业化进程的加速,能源消耗急剧增加,同时伴随着环境的恶化,开发可再生能源的需求日益迫切.氢能因具有高能量密度、零碳排放和可循环利用性而被认为是化石燃料最理想的替代者之一.当下几种制氢技术(如水电解法、丙烷脱氢法和石脑油热解法等)通常需要高温或高功耗,因此其大规模应用受到限制.半导体光催化分解水制氢技术可以将太...     

中国制氢技术的发展现状

氢能是一种高效清洁的二次能源,在实现“碳中和”目标中起重要作用。随着制氢规模不断扩大、制氢成本不断降低,氢能将有望与电能共同成为二次能源主体,通过氢电互补推动我国能源结构转型、降低碳排放、保障我国能源安全。目前,我国已成为世界第一大产氢国,主要有三类工业制氢路线:化石燃料重整制氢、工业副产氢和清洁能源电解水制氢。依托清洁能源发展起来的其他制氢新技术,如太阳能光解水制氢、生物质制氢、核能制氢等也受到广泛研究和关注。此外,制氢系统组成复杂,建模和优化难度高,人工智能在制氢系统的预测、评估和优化方面表现出独特的优势,受到国际学者的关注。本文结合最新研究进展,对上述制氢路线的发展情况进行了综述,并通过技术成熟度、经济性和环保性比较,结合国情对我国未来氢气供应结构做出展望。同时,本文综述了人工智能在制氢系统中的最新应用进展,以期为我国制氢工艺发展提供新思路。     

稀土金属在生物乙醇制氢及其相关反应中的应用

催化生物乙醇制氢有望成为用清洁可再生能源替代化石能源的有效途径,近年来受到广泛关注。本文介绍了制氢的研究概况及燃料电池的相关应用,概括了生物乙醇制氢的优势及反应过程。重点综述了以Ce和La为代表的稀土金属在乙醇制氢反应中的催化效果,并对与制氢反应紧密相关的甲烷水蒸气变换反应、水汽变换反应、CO选择性氧化反应和黑碳氧化反应中稀土金属的催化作用进行了探讨。在综述相关研究进展的基础上为生物乙醇制氢催化剂的开发提供建议。     

太阳能分解水制氢最近进展:光催化、光电催化及光伏-光电耦合途径

能源是人类生存和发展的物质基础,太阳能作为最丰富的清洁可再生能源之一,其开发利用受到了世界范围内的广泛关注.通过光催化分解水制氢将太阳能以化学能的形式储存起来不仅能利用太阳能制取高燃烧值的氢能,同时氢能可与CO2综合利用结合起来,在减少碳排放的同时,生成高附加值的化学品,实现碳氢资源的优化利用.光催化分解水制氢在过去的几年里取得了长足的进步,本综述从三种研究广泛的太阳能光催化分解水制氢途径(即光催化、光电催化以及光伏-光电耦合途径)入手,分别简要介绍了太阳能分解水制氢在近几年取得的最新研究进展.利用纳米粒子悬浮体系进行光催化分解水制氢成本低廉、易于规模化放大,被认为是未来应用最可行的方式之一,但是太阳能转化利用效率还偏低.最新报道的SrTiO3:La,Rh/Au/BiVO4:Mo光催化剂其太阳能到氢能(STH)转化效率已超过了1.0%,相比之前报道的大多数光催化剂体系有了数量级的飞跃,让人们对太阳能光催化分解水制氢未来的规模化应用看到了希望.高效宽光谱响应的光催化剂、高效电荷分离策略、新型高效助催化剂以及气体分离新方法和新材料等,均是粉末光催化剂体系研究最为关键的问题;光电催化分解水在过去2–3年内发展迅速,在一些典型的光阳极半导体材料(如BiVO4和Ta3N5等)体系上太阳能利用效率超过2.0%以上.最新研究发现,在Ta3N5光阳极的研究中,通过在光电极表面合理设计和构筑空穴传输层和电子阻挡层等策略,光电流和电极稳定性均可得到大幅度提升,光电流大小甚至可接近Ta3N5材料的理论极限电流.如果能进一步在过电位和电极稳定性上取得突破,该体系的STH转化效率还会得到大幅度改进.此外,光阴极的研究也越来越受到了研究者的关注;光伏-光电耦合体系在三种途径里面太阳能制氢效率最高,在多个体系上已超过10%以上,最近报道的利用多结GaInP/GaAs/Ge电池与Ni电催化剂耦合,其太阳能制氢效率可达到22.4%.虽然该种制氢途径的效率已超过其工业化应用的要求,但是光伏电池的成本(尤其是多结GaAs太阳电池)极大限制了其大面积规模化应用,同时还要考虑电催化剂的成本和效率等,光伏-光电耦合制氢是成本最高的太阳能制氢途径.需要指出的是,光伏-光电耦合制氢有望在一些特殊的领域最先取得实际应用,如为外太空航天器、远洋航海以及孤立海岛等传统能源无法满足的地方提供能源供给.总之,太阳能分解水制氢研究取得了一系列重要进展,太阳能制氢效率得到了大幅度提升,也是目前世界范围内关注的研究热点之一,不仅具有强的潜在工业应用背景,更为基础科学提供了诸多新的研究课题.这一极具挑战的研究领域,在先进技术快速发展和基础科学问题认识不断提高的基础上,不久的将来,有望在不久的将来在基础科学和应用研究方面取得重大突破.     

催化氨硼烷水解制氢研究进展

当前,世界范围内的能源利用面临着巨大的挑战,开发绿色洁净能源十分重要。通过水解氨硼烷制备清洁可再生的氢气是解决能源问题的有效途径之一。选择合适的催化剂有效提高制氢效率是氨硼烷水解制氢的关键,开发高效安全的催化剂一直是该领域研究的重点和热点。本文从影响氨硼烷水解制氢反应中催化剂催化性能的因素出发,综述了活性金属组分和载体在催化剂制备过程中以及催化氨硼烷制氢反应中的作用。最后,对催化氨硼烷水解制氢过程所存在的问题以及今后的发展进行了总结和展望。     

光催化：电子的奇妙之旅

半导体光催化技术可以利用太阳能光催化分解水制备氢气和降解有机污染物以解决能源问题和环境污染问题,并且具有反应低能耗、低温深度反应和反应具有光谱性等优点,是解决环境和能源问题领域中最具有应用前景的新技术之一。本文通过将半导体光生电子拟人化,以电子先生的旅游视角介绍了光催化反应中电荷的转移过程,介绍了光催化技术在制氢和降解有机污染物领域中的应用。     

电解醇制氢

发展了利用甲醇直接电解制氢这种经济的制氢方法, 实验结果表明电解甲醇制氢能够极大地降低电能消耗. 此方法的新颖之处在于方法简单和成本低. 将直接甲醇燃料电池膜电极作为电解装置, 可以达到任何规模的要求. 如果将这种电解装置与太阳能电池联用, 可非常经济地制氢及氢气储存, 或直接向燃料电池或其它化学工程装置供氢.     

Single-point Attack of Two H2O Molecules towards a Lewis Acid Site on the GaAl12 Clusters for Hydrogen Evolution

The hydrogen evolution reaction (HER) of water with metallic aluminum-based materials provides an important way to address the global energy challenge; however, fundamental mechanism and reaction dynamics governing the chemical and electronic properties remain a debated research topic. Here we further study the HER mechanisms for water splitting on typical 13-atoms clusters, Al₁₂Ga and Al₁₃, by first-principles DFT calculations. We noted that the doping of a Ga atom into the Al₁₃ cluster could reduce the transition state barrier for H₂O dissociation on the metal cluster. Furthermore, it is interesting that the second water molecule prefers to adsorb on the same metal site giving rise to both thermodynamically and kinetically favorable reaction pathways. Based on the well-established complementary active sites (CAS) mechanism for metal cluster reactivity, we provide insights into the reaction dynamics of such metal clusters with two water molecules, which also sheds light on the Eley-Rideal and Langmuir-Hinshelwood mechanisms in surface science. Natural bond orbitals (NBO) analysis was conducted to evaluate the donor-acceptor charge-transfer interactions between the cluster and the nucleophilic reagent. These results gain a better understanding of the mechanism for water reacting with aluminum-based materials.     

From Extended Nanofluidics to an Autonomous Solar-Light-Driven Micro Fuel-Cell Device

Autonomous micro/nano mechanical, chemical, and biomedical sensors require persistent power sources scaled to their size. Realization of autonomous micro-power sources is a challenging task, as it requires combination of wireless energy supply, conversion, storage, and delivery to the sensor. Herein, we realized a solar-light-driven power source that consists of a micro fuel cell (μFC) and a photocatalytic micro fuel generator (μFG) integrated on a single microfluidic chip. The μFG produces hydrogen by photocatalytic water splitting under solar light. The hydrogen fuel is then consumed by the μFC to generate electricity. Importantly, the by-product water returns back to the photocatalytic μFG via recirculation loop without losses. Both devices rely on novel phenomena in extended-nano-fluidic channels that ensure ultra-fast proton transport. As a proof of concept, we demonstrate that μFG/μFC source achieves remarkable energy density of ca. 17.2 mWh cm⁻² at room temperature.     

Inorganic Photocatalysts for Overall Water Splitting

Photocatalytic water splitting using semiconductor photocatalysts has been considered as a “green” process for converting solar energy into hydrogen. The pioneering work on electrochemical photolysis of water at TiO₂ electrode, reported by Fujishima and Honda in 1972, ushered in the area of solar fuel. As the real ultimate solution for solar fuel‐generation, overall water splitting has attracted interest from researchers for some time, and a variety of inorganic photocatalysts have been developed to meet the challenge of this dream reaction. To date, high‐efficiency hydrogen production from pure water without the assistance of sacrificial reagents remains an open challenge. In this Focus Review, we aim to provide a whole picture of overall water splitting and give an outlook for future research.     

面向氢能源、燃料电池和二氧化碳减排的制氢途径的选择

对氢气的多种制造途径加以探讨,也涉及到氢能的利用、燃料电池以及二氧化碳的减排。需要指出的是氢气并非能源,而只是能量的载体。 所以氢能的发展首先需要制造氢气。对于以化石燃料为基础的制氢过程,如煤的气化和天然气重整,需要开发更经济和环境友好的新过程,在这些新过程中要同时考虑二氧化碳的有效收集和利用问题。对于煤和生物质,在此提出了一种值得进一步深入研究的富一氧化碳气化制氢的概念。对于以氢为原料的质子交换膜燃料电池系统,必须严格控制制备的氢气中的一氧化碳和硫化氢;对于以烃类为原料的固体氧化物燃料电池,制备的合成气中的硫也需严格控制。然而,传统的脱硫方法并不适宜于这种用于燃料电池的极高深度的氢气和合成气的脱硫。氢能和燃料电池的发展是与控制二氧化碳排放紧密相关的。     

Carbon‐Based Metal‐Free Catalysts for Electrocatalysis beyond the ORR

Besides their use in fuel cells for energy conversion through the oxygen reduction reaction (ORR), carbon‐based metal‐free catalysts have also been demonstrated to be promising alternatives to noble‐metal/metal oxide catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) in metal–air batteries for energy storage and for the splitting of water to produce hydrogen fuels through the hydrogen evolution reaction (HER). This Review focuses on recent progress in the development of carbon‐based metal‐free catalysts for the OER and HER, along with challenges and perspectives in the emerging field of metal‐free electrocatalysis.     

硼氢化钠水解制氢的研究

采用置换镀的方法在泡沫镍基体上获得不同载钌量的NaBH4水解制氢催化剂。实验结果表明，NaBH4水解制氢反应为零级反应，氢气生成速率随载钌量的增加而变快；当泡沫镍表面完全被钌覆盖时，载钌量为6%，相应的催化能力最强。与离子交换树脂载钌催化剂相比，泡沫镍载钌催化剂更稳定、耐用。实验还证实，30%比35%的NaBH4水溶液在相同的催化剂作用下更易发生水解反应；NaBH4水溶液中加入少量的NaOH有助于提高钌催化剂的催化性能。通过对NaBH4储氢体系的能量计算，说明采用该氢源体系的微型燃料电池的能量密度有望达到甚至超过锂离子电池的比能量水平。     

Effect of surface structure on the catalytic behavior of Ni：Cu/Al and Ni：Cu：K/Al catalysts for methane decomposition

Methane decomposition using nickel, copper, and aluminum （Ni：Cu/Al） and nickel, copper, potassium, and aluminum （Ni：Cu：K/Al） modified nano catalysts has been investigated for carbon fibers, hydrogen and hydrocarbon production. X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）, static secondary ion mass spectrometry （SSIMS）, thermal gravimetric analysis （TGA）, Fourier transform infrared （FT-IR）, secondary electron microscopy/X-ray energy dispersive （SEM-EDX）, and temperature programmed desorption （TPD） were used to depict the chemistry of the catalytic results. These techniques revealed the changes in surface morphology and structure of Ni, Cu, Al, and K, and formation of bimetallic and trimetallic surface cationic sites with different cationic species, which resulted in the production of graphitic form of pure carbon on Ni：Cu/Al catalyst. The addition of K has a marked effect on the product selectivity and reactivity of the catalyst system. K addition restricts the formation of carbon on the surface and increases the production of hydrogen and C2, C3 hydrocarbons during the catalytic reaction whereas no hydrocarbons are produced on the sample without K. This study completely maps the modified surface structure and its relationship with the catalytic behavior of both systems. The process provides a flexible route for the production of carbon fibers and hydrogen on Ni：Cu/Al catalyst and hydrogen along with hydrocarbons on Ni：Cu：K/Al catalyst. The produced carbon fibers are imaged using a transmission electron microscope （TEM） for diameter size and wall structure determination. Hydrogen produced is COx free, which can be used directly in the fuel cell system. The effect of the addition of Cu and its transformation and interaction with Ni and K is responsible for the production of CO/CO2 free hydrogen, thus producing an environmental friendly clean energy.     

From Extended Nanofluidics to an Autonomous Solar‐Light‐Driven Micro Fuel‐Cell Device

Autonomous micro/nano mechanical, chemical, and biomedical sensors require persistent power sources scaled to their size. Realization of autonomous micro‐power sources is a challenging task, as it requires combination of wireless energy supply, conversion, storage, and delivery to the sensor. Herein, we realized a solar‐light‐driven power source that consists of a micro fuel cell (μFC) and a photocatalytic micro fuel generator (μFG) integrated on a single microfluidic chip. The μFG produces hydrogen by photocatalytic water splitting under solar light. The hydrogen fuel is then consumed by the μFC to generate electricity. Importantly, the by‐product water returns back to the photocatalytic μFG via recirculation loop without losses. Both devices rely on novel phenomena in extended‐nano‐fluidic channels that ensure ultra‐fast proton transport. As a proof of concept, we demonstrate that μFG/μFC source achieves remarkable energy density of ca. 17.2 mWh cm⁻² at room temperature.     

Keggin结构多阴阳离子构筑高活性多酸基氧化脱硫催化剂

设计开发高活性超深度氧化脱硫催化剂是解决未来石化工业适应日益严格要求的清洁燃油标准的重要出路之一。本文合成了Keggin结构多聚铝阳离子烷基硫酸盐Al_13-SDS和磷钨酸(HPW)多阴离子构筑的催化剂HPW-Al_13-SDS(SDS=十二烷基硫酸钠),采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、紫外可见光谱(UV-Vis)、热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)和Brunauer-Emmett-Teller(BET)等测试手段对催化剂的结构进行表征。FT-IR和UV-Vis的表征结果表明,焙烧后的催化剂中多聚铝阳离子和HPW同时保持Keggin骨架结构。以有机硫二苯并噻吩(DBT)的正己烷溶液为模拟油品的氧化脱硫为探针反应,在选定的条件下,DBT有机硫的脱除率达到99.5%。反应后HPW-Al_13-SDS催化剂的FT-IR和XRD的表征证实产生过氧化多钨酸化合物。催化剂能够循环使用,易分离,循环使用后活性未见明显降低,是理想的模型有机硫化物氧化脱除用催化剂。