电解水中电极材料与电解条件的选择

义务教育初中化学电解水的实验（实验3～1）是为了给学生学习水的组成提供感性认识。因此,做好该演示实验,特别是使实验结果接近H2和Q2的体积比为2：1的理论值,成为讲好这节课的关键。本文从分析实验结果产生误差的原因及减少误差所采取的措施出发,通过自制的电解水装置,选择容易找到的电极材料及与之相匹配的电解质及溶液浓度、电压等条件的对比实验结果说明使实验结果更接近理论值的条件,为做好本实验提供参考。一、电解水时氢氧体积比产生误差的原因电解水的化学原理是：阴极：2H+＋22—HZ十阳极：4OH－－4e、ZH。O＋OZt“”…     

电解水实验的改进

用霍夫曼电解器电解水,教学参考书一般规定采用1:10H2SO4电解液,直流电压为6V。按上述条件做演示实验,需时较长,效果不好。     

对一些教材中电解水的电极反应的质疑

在一些大学化学教材中,论及用惰性电极电解水或电解质溶液时,提出如下电极反应:阴极2H++2e=H2,阳极40H-=O2-2H2O+4e;并不指明水溶液的酸、中或碱性,或者就认为都按上同一途径实现电极反应:氢离子在阴极放电,氢氧根离子在阳极放电。例如:甘兰若,《无机化学》上册,江苏科学技术出版社1980,350页。     

TiO2纳米管修饰镍电极及其光催化辅助电解水制氢性能研究

本文通过水热法制备二氧化钛纳米管(TiO2NT),并用制备的TiO2NT对碱性电解水制氢装置的镍片阳极进行修饰,在电解水的基础上,通过光催化与电解过程的耦合,提出并实现了光催化辅助电解水制氢过程。通过XRD、UV-Vis、FE-SEM、AFM和光催化辅助电解水制氢等方法对试样的结构和性能进行了表征和测试。结果表明,在紫外光照条件下,用TiO2NT修饰镍片阳极的光催化辅助电解水过程的产氢速率比单纯电解水提高了61%。     

电解水演示实验的探究

电解水实验为中学化学的一个经典演示实验,然而在实验中很难得到氢气和氧气的体积比为2∶1的结果。文章从离子电迁移率、超电势、溶液的酸碱度等影响电解水反应的主要因素入手,研究了电解水实验的科学原理,并运用这些原理结合改进后的实验装置进行了电解水实验过程的探究,获得了电解水实验的满意效果,很适合在课堂中进行演示。     

电解水法测定阿佛加德罗常数

本文提供一个不用分析天平而所测得的N值较接近于6.02×1023的实验方法。已知电子的电量为1.602×10-19库仑。当电解水时,每逸出一个H2分子,在阴极上要取得2个电子的电量。电解过程中消耗的电量可借助毫安表得出的I（安）与通电的时间t（秒）的乘积算出。在阴极上用一支滴定管以排水取气法收集氢气和水蒸气的混合气体,Ⅴ混=Ⅴ0-Ⅴ’。     

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。     

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。     

焦耳热快速合成双功能电催化剂用于高效水分解

电解水是有效的产氢方式之一, 开发具有高催化活性的电极材料是当前电解水的研究热点,但仍面临诸多挑战。 本研究报告了一种通过焦耳热技术快速制备多金属异质结构, 并将其用作电解水的双功能电催化剂, 展现出优异的电解水催化活性。通过焦耳热处理三种金属前驱涂覆的碳布, Mo₂C和CoO/Fe₃O₄异质结构形成。当其用作析氢（HER）和析氧（OER）的双功能催化剂时, 仅需121 mV和268 mV的过电位,可以实现10 mA·cm^-2的电流密度。当用于两电极电解水时, MoC/FeO/CoO/CC作为阳极和阴极催化剂表现出优异的电催化性能和长期稳定性, 仅需1.69 V即可实现10 mA·cm^-2的电流密度, 并且展现出25小时的稳定性。本研究通过简单、 快速的焦耳热技术实现了双金属/多金属异质结构的构筑,并应用于高效水电解,为合理设计多金属异质结构提供指导。     

基于STEM理念的中学化学创新实验研究——以“自制电解水芯片实验室”为例

介绍了基于STEM理念下让学生自制电解水芯片的实验探究。学生观察芯片上的电解水现象,负极产生的氢气和正极产生的氧气体积比为2:1。本实验简单、安全、环境友好,适宜于学生独立实验操作。此研究通过设置科学问题、强调学生探究、体验科研的全过程,激发了学生兴趣,培养了学生的创新能力。     

电池电极反应的新应用：分步法电解制氢气

可再生能源与电解水制氢技术的结合是实现可持续制氢的最佳途径. 然而,传统电解水技术中解决氢-氧同时、同步、同地产生的问题必须依赖于膜分离技术,大幅限制了氢-氧分离和氢气异地运输的灵活性,并阻碍了可再生能源(如风能、太阳能)与电解水技术的直接结合. 针对上述问题,作者课题组在近期提出了基于电池电极反应的分步法电解水制氢技术,即通过电池电极的可逆电化学反应将现有电解水过程拆分为制氢和制氧分立步骤,实现在无膜条件下氢气和氧气的分时、分地交替制备,提升了电解水制氢的灵活性,促进了可再生能源向氢能的直接转化. 本文将介绍这一新技术的研究进展,并分析这一技术的优点和面临的挑战.     

通过诱导局域电场和电子局域化协同碱性析氢（英文）

碱性析氢反应(HER)可将间歇性可再生能源转化为可存储的清洁能源,因而备受关注.然而,水解离速度缓慢以及H中间体(*H)吸附和解吸困难限制了碱性HER的进一步发展.目前,针对碱性电解水解离缓慢问题,通常采用调整电催化剂结构降低水分解热动力学能垒,以及改变三相界面微环境加速中间产物的扩散等方法来促进水分解进行.此外,可以通过调控活性位点电子结构来优化*H的吸脱附.但是采用单一的策略很难同时促进H₂O的解离和*H的吸脱附,难以获得令人满意的碱性HER性能.因此,探索一种能同时促进H₂O的解离和*H的吸脱附协同策略对提升碱性HER的性能至关重要.本文提出了一种协同策略,通过构建高曲率二硫化钴纳米针(CoS₂ NNs)和原子级铜(Cu)的掺杂分别实现诱导纳米尺度的局域电场和原子尺度的电子局域化,从而促进碱性HER的H₂O解离和*H吸脱附.首先,采用有限元法模拟和密度泛函理论计算,从理论上分别证实了纳米尺度局域电场可以加速H₂O解离以及原子尺度电子局域化可以促进*H吸附.受理论计算结果启...     

无定形纳米钙钛矿薄膜:高活性析氧电催化剂

正电解水制备氢气是未来可再生能源的发展方向之一。然而,电解水反应中析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)的动力学过程非常缓慢,通常需要施加很大的过电位,是电解水反应的瓶颈。研究开发高效、价格低廉的OER催化剂是该领域的热点。在众多氧化物中,钙钛矿型氧化物(结构通式ABO_3,图1a)因其超高的本征OER活性脱颖而出。     

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。     

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...     

Au/CeO2催化剂上CO2选择加氢为CO反应及其中间物种研究

CO2的化学转化具有环境及科学双重研究意义.CO2具有很高的化学稳定性,加氢还原是一种有效的转化途径.其中将CO2选择性还原为CO,即逆水汽变换(RWGS)反应(CO2+H2→CO+H2O),具有重要的理论意义和应用价值:(1)CO作为合成气的重要原料,可以通过F-T合成生产更有价值的液体燃料;(2)H2可通过可再生能源电解水制取,实现了全过程的零排放碳循环利用.从热力学角度分析,RWGS反应是一个吸热反应,高温有利于平衡转化率的提高.从动力学角度,一个对正反应有活性的催化剂可同时催化逆反应进行.可还原性载体负载贵金属催化剂,如Pt/CeO2,Au/FeOx,Au/CeO2等,具有很好的低温WGS催化活性,但它们在RWGS反应上的研究较少.我们制备了CeO2负载纳米Au催化剂(HRTEM表征结果表明金高度分散于CeO2载体表面,粒径为4-5 nm),其在常压CO2加氢还原为CO反应中表现出优异的低温活性,分别在450℃,CO2/H2=1,WHSV=12000 mL/(h·g),及400℃,H2/CO2=1,WHSV=6000 mL/(h·g)条件下,CO2转化率接近平衡转化率,且CO的选择性为100%.随着H2/CO2比例增加,CO2转化率明显提高,且维持H2/CO2为1的化学计量比反应.通过原位漫反射红外光谱与质谱相结合的技术,研究了Au/CeO2催化剂上的RWGS反应路径:Au/CeO2催化剂表面形成了甲酸盐中间物种,它的消耗伴随着CO和H2O产物的生成.说明Au/CeO2催化剂遵循中间体机理,这应该是其具有优异低温RWGS反应性能的微观机制.     

钴铁双金属氧化物多孔纳米棒的制备及其电解水析氧性能

通过简单的钴铁前躯体热分解法制备了系列一维Co_(1-x)Fe_xO_y(0≤x≤1)多孔纳米材料,并在1 mol·L~(-1) KOH溶液中研究了其电解水析氧催化性能。研究发现不同Fe掺杂量对材料的结构与电解水析氧催化性能有较大的影响,其中16%(n/n)Fe掺杂量的Co_(1-x)Fe_xO_y具有最优的析氧催化性能。在10 m A·cm~(-2)电流密度下其析氧过电位为345 mV,塔菲尔斜率为54 mV·dec~(-1),并表现出优异的析氧稳定性能。廉价、高效的Co_(1-x)Fe_xO_y多孔纳米棒材料有望成为优良的析氧催化剂用于电解水制氢。     

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。     

电解水催化材料动态构效关系的原位拉曼研究进展北大核心CSCD

可再生能源电解水产氢对于实现碳中和目标和未来可持续社会的发展具有重要意义。然而,在电解水服役过程中,催化材料往往会发生复杂的结构演变,这对深入理解电解水催化材料反应机制和精准设计高效催化材料造成了挑战。原位电化学拉曼表征技术对催化材料结构动态演变过程的实时监测,是揭示电解水材料动态构效关系,解析催化反应机理的关键。本文介绍了原位电化学拉曼表征技术的基本原理,重点综述了其在催化材料相结构演变、表面活性位点和界面水分子行为中的最新进展,阐述了电解水催化材料在服役过程中结构演变与性能演变之间的变化规律,为实现催化材料全生命周期动态构效关系的精准构建提供了技术基础。最后,分析总结了原位电化学拉曼表征技术在电解水应用过程中存在的问题与挑战,并对先进原位电化学拉曼技术未来的发展进行了展望。     

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。