碳基材料在电催化析氢反应中的应用

氢作为一种高燃烧热值的清洁能源载体,对于解决当前日益严峻的能源短缺和环境污染问题具有重要意义。与传统的化石燃料(如天然气、煤)重整制氢相比,电催化分解水作为一种清洁可再生的制氢工艺具有重要的应用前景。但目前常用的电解水析氢反应(HER)催化剂多为贵金属基(如Pt)材料,储量稀少且成本高昂,因此开发低成本、高活性的非贵金属HER催化剂是当前该领域研究面临的重要挑战。本文综述了近年来碳基材料用于HER催化研究的相关进展。根据碳基材料在HER催化剂中扮演的功能将其分为两大类:活性相和复合相。作为活性相时,通过异质原子掺杂等方式激活其本征活性,直接应用于催化析氢反应;作为复合相时,其作用有导电基底、高分散载体、耐腐蚀防护层等,通过协同增强效应,提高复合催化剂的整体活性,目前个别非贵金属催化剂的活性几乎可以与Pt基催化剂相媲美。本文总结了这些新型碳基HER催化剂的研究进展及其性能调控策略,并对未来开发低成本、高效率的HER催化剂的探索方向进行了展望。     

汽油氧化重整制氢反应镍催化剂的实验研究

在小型固定床反应器中,考察了汽油氧化重整制氢反应体系中镍催化剂 的催化性能。实验考察了镍/三氧化二铝催化剂,活性组分镍含量对汽油氧化重整制氢反应的影响,实验还考察了镍/三氧化二铝催化剂中加入贵金属助剂的催化性能。实验结果表明单组元镍/三氧化二铝催化剂对汽油氧化重整制氢反应在反应温度低于650℃时,其活性较低,生成氢气的选择性也不高;反应温度高于650℃时,其反应活性及生成氢的选择性有明显的提高。镍/三氧化二铝催化剂中加入贵金属组分作为助催化剂制成的双金属催化剂在汽油制氢反应中的催化活性及生成氢的选择性均有明显的提高。     

电纺碳基纤维材料电催化水分解制氢

电解水制氢是由阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)组成。由于HER和OER所需的过电位高,反应动力学迟缓,导致电解水槽电压远高于理论平衡电压,电能消耗严重。因此,探索高效、稳定的非贵金属基电催化剂具有重要的研究意义。利用静电纺丝技术构筑的纤维材料因其较大的比表面积、独特的化学结构、易于调节的组分以及快速的电子和物质传输性能而被广泛应用在能源转化与存储领域。基于此,综述了近几年电纺碳基纤维材料在电催化水分解制氢中的研究进展,重点关注了静电纺丝技术制备的纳米纤维电催化剂用于HER、OER以及作为双功能催化剂在全水分解中产生高催化性能的优势,并对电纺材料在电催化水分解中的应用特点及其未来可能面临的挑战和发展趋势进行了展望。     

非贵金属催化剂催化硼氢化钠水解制氢的研究进展

硼氢化钠水解制氢具有安全方便、放氢温度适中、反应易于控制和制氢纯度高等优点,现已成为制氢技术中的研究热点.但纯硼氢化钠水解放氢速率缓慢、产氢率低,常需添加合适的催化剂以改善硼氢化钠水解的放氢速率.金属催化剂因其具有高的催化活性已被广泛研究.其中,贵金属由于价格昂贵限制了它们的使用,而非贵金属价格低且储量高.并且,近年来有研究发现某些非贵金属催化剂的催化活性有了显著提高.因此,从经济角度出发考虑,将非贵金属用于催化硼氢化钠水解制氢是非常可取的.本文结合近几年国内外非贵金属催化剂催化硼氢化钠水解的发展现状,介绍了非负载型催化剂和负载型催化剂的研究进展,并对其未来的发展趋势进行了展望.     

非贵金属/碳氮复合材料电催化析氧反应的研究进展

析氧反应(OER)是一种复杂的四电子转移反应,其动力学缓慢、所需能量高,制约了电解水制氢等新型能源技术的发展.近年来,非贵金属复合材料因其优异的催化活性以及相比于贵金属基催化剂的成本优势而受到广泛关注.本文概述了这一研究领域的最新进展,首先简要介绍析氧反应的机理以及材料催化性能的评价方法,重点关注非贵金属/碳氮复合材料...     

过渡金属磷化物用于电解水析氢反应的研究进展

氢能是一种很有发展前景的可替代化石燃料的清洁能源,电解水制氢技术是最有希望实现能源可持续发展和零排放的制氢途径,而设计开发储量丰富、成本低廉以及高效稳定的电催化剂是电解水高效制氢的关键。过渡金属磷化物(TMPs)作为一种非贵金属催化剂,因具有天然丰度高、成本低、导电性好以及催化性能稳定等优势,近年来被广泛应用于电解水析氢反应的研究领域。概述了电解水析氢反应机理,介绍了TMPs的制备方法、常见的改性方法及其在电解水析氢反应中的应用,总结了TMPs电催化剂目前所存在的问题和面临的挑战并对其进行了展望。     

化学所在石墨烯电催化分解水析氢领域取得新进展

正电催化分解水制氢是减少环境污染及实现可再生清洁能源的重要途径。开发高效、稳定的制氢催化剂具有重要的科学价值和现实意义。石墨烯材料因其具有比表面积大、导电性好、稳定性高等优势,被广泛应用于电催化分解水制氢的研究中。     

甲烷干气重整镍基复合结构催化剂的研究进展

甲烷干气重整反应能够实现温室气体CO₂和CH₄的转化利用, 其反应产物合成气可以通过费托反应进一步生产液态燃料, 该反应在能源与环境领域具有重要意义。寻找合适的催化剂是推动甲烷干气重整工业化的关键。镍基复合结构催化剂因其与贵金属催化剂相媲美的催化活性和低廉的工业成本而受到广泛关注, 但镍基催化剂存在高温下长时间反应后碳沉积和金属组分烧结所导致的失活问题, 严重影响了其工业应用和干气重整化工的发展。本文从镍基复合结构催化剂的成分、结构、制备方法及模拟计算设计等方面出发, 介绍了改进镍基催化剂活性、抗积碳和抗烧结性能的研究进展, 并结合最新的原子催化以及原位表征等研究进展对干气重整研究的发展趋势进行 展望。     

碳纳米管负载金属氮化物催化剂的制备及其性能研究

采用等体积浸渍法结合程序升温还原技术制备出一系列负载型过渡金属氮化物催化剂。利用XRD、BET、TPR等表征手段,结合氨分解制氢反应,研究了它们的表面性质和反应性能。发现改性碳纳米管负载的氮化钴催化剂具有较大的比表面积,对氨分解制氢反应的催化活性最高。新鲜态CoNx/CNTs催化剂的比表面积可达151.85m2/g,在650℃时氨转化率为80.3%,850℃达到完全转化。     

碱性电解水制氢的活性阴极材料

电解水制氢是实现大规模制氢的重要手段，本文就几种基本非贵金属析氢反应活性合金的合成方法，析氢反应催化性能以及它们作为析氢反应负极材料所表现出的优缺点作了简要评述。     

基于电催化析氧反应的非贵金属催化剂研究进展

在全球变暖和能源危机的背景下，能源问题已成为全球各国战略安全的重要组成部分。氢能作为可持续的新型可再生清洁能源，对缓解全球性能源短缺具有重要意义。在众多制氢候选方案中，电解水制备氢气被认为是最可靠、最可行的途径之一。但在电解过程中，反应动力学极为迟缓的阳极析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)严重制约着整体反应效率。因此，开发成本相对低廉、催化剂性能优异、耐久性好的高效OER电催化剂，从而提高电解水制氢工艺技术的能源转换效果受到了广泛关注。本文首先简要阐述了析氧反应的反应机制及其性能的评价参数，接着对非贵金属催化剂的研究进行分类讨论，并列举了提高催化性能的策略和方法，最后对设计新型催化剂进行展望。     

微生物燃料电池阴极材料研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种集废水处理与能量产生于一体的能源可持续发展技术,其利用微生物的催化作用将废水中的化学能转化为电能。MFC阴极催化性能直接决定了整个系统的产电水平,因此,阴极材料的制备与开发一直是研究热点。重点介绍了阴极基体材料和阴极催化剂的最新研究进展。其中,阴极基体材料包括碳基材料和非碳基材料,阴极催化剂包括贵金属、非贵金属、过渡态金属和导电聚合物催化剂等,并且比较了各种催化剂的物理性质、催化活性、氧化还原性能和对MFC系统产电能力的影响,为开发成本低、稳定性好、催化和氧化还原性能高的阴极材料提供了综合性参考。     

光催化分解水制氢体系助催化剂研究进展

煤、石油、天然气等不可再生能源的消耗导致环境污染日益严重,开发和使用清洁的可再生能源迫在眉睫。利用太阳能光催化分解水制氢被认为是解决化石能源紧缺和环境污染问题的有效途径之一。光催化分解水制氢体系非常复杂,助催化剂是影响催化剂光催化效率的一个关键因素,它的引入可以有效提高催化剂的光催化活性和氢气产生速率,因此,开发廉价高效的助催化剂已逐渐成为本领域的研究热点。本文结合光催化分解水制氢原理,简要介绍了助催化剂的作用,对近年来光催化分解水产氢助催化剂的种类和研究内容进行了总结,分析和讨论了几类重要助催化剂的特点及作用机理,并对助催化剂的发展进行了展望,以期为新型高效光催化制氢材料的设计提供参考。     

石墨烯/金属氮杂环纳米复合材料在燃料电池分子氧催化还原反应中的应用研究

石墨烯具有良好的电子传导性、巨大的表面积、稳定的化学和机械稳定性等,在分子氧催化还原(ORR)反应中可以有效地改进催化剂的催化活性,是过渡金属大环催化剂新的基底材料。对石墨烯支持的非贵金属氮杂环复合材料在ORR催化反应中的应用以及影响催化O_2活性的因素进行了讨论。重点讨论了卟啉和酞菁中心金属核,Co和Fe,以及卟啉和酞菁作为N的前驱体对ORR电催化活性的影响,并展望了非贵金属氧还原催化剂在燃料电池中的研究发展方向。     

新型制氢用催化剂问世

在不久前于奥地利维也纳召开的欧洲催化技术会议上 ,Synetix公司宣称 ,已开发出一种镍基预处理催化剂 ,可提高以合成气为原料的制氢厂的产量。Synetix公司开发出的这种名为 CRC- LH的催化剂 (已经转让给克瓦纳工程公司 )是一种沉淀型催化剂 ,它有良好的分散性能 ,且耐烧结 ,热稳定性好 ,若与铬共用 ,可防止胶状聚合物的形成。新型制氢用催化剂问世@韩美     

碳基硫化钼电催化制氢催化剂的研究进展

金属铂是目前最高效的电催化制氢催化剂,但由于铂存在高成本、低储量等缺点,难以适合广泛的工业应用。因此,寻找低成本、高储量的替代电催化制氢催化剂成为未来发展的方向。二硫化钼因具有制氢活性较高、储量丰富、易于制备等优势越来越受到关注。二硫化钼的制氢活性主要取决于暴露的催化活性位数量和导电性。因此,利用纳米碳材料的高导电性和高比表面积来提高二硫化钼的导电性和制氢催化活性位的数量,是制备高活性二硫化钼电催化剂的重要策略之一。重点介绍了二硫化钼电催化制氢的基本原理,以及采用不同碳材料,如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等,改进二硫化钼电催化制氢性能的合成方法、催化效果及反应机理。最后,展望了利用碳材料辅助制备高活性、低成本电催化制氢催化剂的前景。     

铜、钴、镍纳米晶的化学还原合成及催化性能研究进展

纳米材料是21世纪最具开发潜力的高新技术材料之一,铜、钴、镍等非贵金属纳米材料由于储量高、价格低廉,具有良好的光学、电学、磁学以及催化特性,成为多相催化工业中代替贵金属纳米材料研究的热点。在分析铜、钴、镍纳米颗粒的化学还原法合成过程及其形成机理的基础上,重点综述了其形貌尺寸控制的影响因素,同时对其催化性能进行了阐述。最后对铜、钴、镍纳米材料的研究及发展方向进行了总结与展望。     

基于电催化析氧反应的硫化物催化剂研究进展

氢能作为一种可燃烧的新型能源,凭借其清洁无污染等优点,被认为是人类从根本上解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢气的重要方法之一,也是现代清洁能源技术的重要组成部分.随着实际需求的不断增长,如何利用高效低耗的电催化剂来提升反应速率,已经成为当前新能源领域的研究重点之一.电解水反应由阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)两个半反应组成,其中HER反应相对容易进行;而相比于HER反应,OER反应动力学缓慢,是影响电解水效率的主要原因.为了提高电解水制氢的能量转化效率,高效OER电催化剂成为研究电解水制氢技术的关键因素.过渡金属催化剂由于其特殊的d轨道结构和在地球上丰富的储备量成为OER催化剂研究领域的热点,但是目前存在的主要问题是,与贵金属催化剂相比,过渡金属催化剂的催化活性较差.因此,发展一些高催化活性和高效稳定的电催化剂,成为该领域研究关注的重点.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物和硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量研究并取得了长足的发展.在这些催化剂中,硫化物型电催化剂不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性等方面正在接近甚至超越RuO2和IrO2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文主要介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,从硫化物型OER电催化剂的物理化学性质入手,证实了硫化物型OER电催化剂在析氧反应中具有独特的优势,最后综述了有关硫化物型OER电催化剂在改进策略等方面的研究进展.     

兰州化物所超薄α-Fe_2O_3光电催化分解水制氢研究取得新进展

正太阳能光(电)催化分解水制氢是解决目前能源短缺与环境污染问题的理想途径之一。氧化铁(α-Fe_2O_3)由于具有较高的稳定性、较低的能带结构(2.1eV)以及自然储备丰富等优势,成为目前光电催化分解水制氢领域中的重要材料。然而,氧化铁同时具有导电性差、光生电子-空穴复合较快等缺陷,严重限制了其实际应用。中国科学院兰州化学物理研究所能源与环境纳米催化     

利用太阳能制氢的方法及发展现状

发展清洁可再生能源是人类面临的巨大技术挑战,氢气作为一种理想的清洁能源,其制取及储运技术近年来都取得了很大进展。综述了利用太阳能分解水制氢的基本途径及发展现状,主要包括电解水制氢及人工模拟光合作用制氢、半导体光解水及其催化剂以及最有希望实现的高温热化学循环分解水制氢技术。