钌基碱性电解水制氢催化剂研究进展

碱性电解水具有操作易实现、设备费用低和寿命长的特点,是目前应用最广泛的将可再生资源转化为氢能的技术。但电解水存在能耗高的问题,因此需要高效催化剂提高能量转化效率。钌具有与铂相近的金属-氢键强度,是极具前景的制氢催化剂。综述了近年来钌基催化剂的制备及其碱性电解水制氢反应的最新研究进展。与廉价过渡金属材料相比,钌基催化剂具有优异的电化学活性和稳定性,是一种很有前景的析氢材料。以目前主要研究的钌金属及其合金、钌基磷化物、钌基硫化物、钌基硒化物为代表,分别进行了简要的介绍和评价,最后提出了钌基电催化剂在制氢应用中存在的问题和未来的发展方向。     

中空碳基材料在电解水中的研究进展

氢能所具有的清洁、高能量密度特点，使其成为一种未来的理想能源。相较于石油、天然气等的热解制氢技术，利用可再生清洁能源进行电催化分解水制氢具有高效和清洁无污染的特点，且获得氢气产物纯度高，具备大规模发展的潜力。而在大规模水电解过程中，电催化剂是不可或缺的元素之一。它能有效地加速电解水在阴阳两极反应的动力学过程。传统的贵金属基催化剂具有良好的电催化析氢、析氧活性，但成本高昂、储量稀缺，从而限制了其规模化地推广及应用。开发新型高效廉价的非贵金属基电催化剂已成为时下研究热点。中空碳基纳米材料集成了中空材料和碳基材料的优势，作为电催化剂，在电解水方面有着潜在的应用价值。本文总结了近年来微纳米结构碳基中空材料作为新型电解水催化剂的研究进展，介绍了高效碳基中空析氧/析氢催化剂的设计原则和相应的设计策略，并对开发持久高效的中空碳基电解水催化剂进行了总结和展望。     

电沉积法制备碱性电解水镍基析氧电极的研究进展

在“碳达峰、碳中和”的目标下，绿氢成为极具前景的清洁能源。碱性电解水制取绿氢技术商业化程度最高，但由于析氧反应(OER)动力学过程缓慢且需要较高的过电位，成为制约电解水电极效率的主要瓶颈。商业电解槽中广泛使用的镍网或泡沫镍电极的OER性能仍有很大提升空间，在其上复合镍基催化功能层，开发新型高活性的析氧电极有利于提高电极效率，降低制氢成本。电沉积技术具有工艺简单、条件温和、利于放大生产自支撑电极的优势，成为工业化生产OER电极的理想工艺之一。本文综述了近年来利用电沉积技术制备的镍基析氧电极并用于碱性电解水的研究进展。采用电沉积技术在镍网或泡沫镍基底上制备镍(氢)氧化物、双金属及多元金属以及非金属掺杂的镍基催化剂作为催化功能层，通过增强催化功能层的电导率及金属间的协同作用、增加活性位点数量、减小扩散路径以及改变表面原子构型等方式提高镍基自支撑电极的OER性能。最后，展望了镍基自支撑电极在电解水领域的应用，同时指出了电沉积法制备电极材料存在的挑战。     

乙醇重整制氢催化剂的研究进展

氢能源是热效率高、清洁无污染的新型绿色能源,乙醇重整反应制取氢气具有氢含量较高、毒性低和符合可持续发展等优势,应用前景较广阔.针对乙醇重整制氢催化剂高温易积炭失活,性能不稳定的问题,提出了通过合理选用催化剂活性组分并利用助剂和载体对其改性的方法可改善催化剂的综合性能.从催化剂性能角度分析,综述钴、镍和铜基催化剂在乙醇重整制氢中的作用效果,分别分析了助剂和载体对提高这些催化剂重整制氢性能的影响,并展望了乙醇重整制氢的研究方向.     

电解海水催化剂的设计与改性

电解海水是一种可再生、可持续、低成本且节约淡水资源的氢气生产方案。因此,针对天然海水或盐水电解质的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）,设计开发高效、稳定的电催化剂具有良好的应用前景。为了深入了解海水电解所面临的现状和挑战,本文对电催化分解海水催化剂的设计思路与改性方法进行了系统的回顾和总结。首先详细讨论了电解海水中析氢反应、析氧反应、析氯反应的基本原理。随后对最近报道的在海水中能够稳定运行的HER和OER电催化剂进行了汇总和分析。针对阴极催化剂,分别概述了高效贵金属基电催化剂和低成本过渡金属基电催化剂。针对阳极催化剂,主要讨论了取得较大进展的镍基催化剂,随后对镍基之外的其他电催化剂进行对比补充。文章最后对电解海水催化剂目前所面临的挑战和发展方向进行了总结和展望,基于现有分析认为,在未来的研究中需要进一步探索新型电解海水催化剂的种类和结构,开发更高效稳定的阴极和具有更高OER选择性的阳极电催化剂,以满足分解海水电催化剂工业化应用的要求。     

质子交换膜水电解制氢膜电极研究进展

质子交换膜水电解（PEMWE）制氢具有可适用于风能太阳能等可再生能源的间歇性和波动性、能量转换效率高、启动快速、占地小等优点,成为目前绿氢制取重点关注的技术。膜电极作为水电解制氢关键核心部件,对于水电解制氢的性能、效率和寿命至关重要,并随着量产规模的扩大在系统成本中的占比越来越高。发展高性能、低成本和高耐久性的膜电极对于绿氢的低成本大规模制取具有重要意义。本文综述了近年来质子交换膜电解水制氢膜电极中质子交换膜、催化层、多孔传输层等关键材料部件以及膜电极制备技术的研究进展和成果,并进行了简要评述。从膜电极设计和开发的角度系统地梳理了如何提高电解制氢性能、降低水电解制氢膜电极成本等方面的进展。最后,就未来膜电极研发的方向提出了建议。     

碱性电解水析氢电极的研究进展

电解水制氢将成为未来绿色制氢工业的核心技术。研究新型阴极材料以有效降低阴极过电位,对降低电解水能耗和设备成本、提高生产稳定性和安全性,具有十分重要的现实意义。本文主要对碱性水溶液电解制氢工业的析氢阴极材料进行综述。围绕电极结晶结构设计和尺寸结构设计两个主要的电极发展方向,重点介绍了3类基于电沉积制备技术的Ni基电极材料:合金析氢电极、复合析氢电极、多孔析氢电极。分析了当前析氢电极在实验研发与工业应用中存在的问题。指出采用电沉积法,制备催化活性更高且适用于工业电解环境的多元复合电极材料将是今后析氢电极发展的趋势。     

生物质气化制富氢合成气的研究进展

生物质气化制取富氢合成气因其原料的清洁可再生性、产物应用方式的多样性被认为是最具发展前景的制氢方式之一。催化剂对调控生物质气化产物组成及焦油的裂解具有重要作用。本文综述了化石能源制氢、水分解制氢和生物质制氢方法,分析了生物质气化制氢的优势和局限性,以及存在的问题;重点介绍了生物质气化制氢的影响因素(气化剂、反应温度和催化剂)和用于生物质气化的主要催化剂种类(镍基、白云石和碱及碱土金属催化剂)及其特点,分析国内外生物质气化制取富氢合成气和催化剂的研究现状,探讨了催化气化制取富氢合成气的发展前景,提出有待解决的问题和研究方向。     

典型碳氢化合物水蒸气重整制氢研究进展

  烃水蒸气重整是目前获取氢能源的重要方法之一,而甲烷、汽油和柴油作为典型烃类原料可满足于不同规模氢能源的需求。本文重点从催化剂、反应工艺和反应机理及动力学三个方面对甲烷、汽油和柴油蒸汽重整制氢进行介绍和评述。指出甲烷重整制氢镍基催化剂的改性和反应器设计以及反应条件的优化是其必然的发展趋势,汽油和柴油重整制氢催化剂未来设计必须具备高抗硫性和抗积炭性。此外,需加强甲烷、汽油和柴油蒸气重整制氢的机理和动力学研究。     

碱性水电解制氢催化剂研究进展

氢能是一种绿色零碳的能源载体，电解水技术可以实现氢能与电能的高效转化。作为最成熟的电解水技术，碱性水电解制氢仍然有一些瓶颈需要克服，以期更适宜产业化的需求。概述电解水制氢的原理和碱性水电解的机理，着重介绍了碱性水电解的催化剂，同时对碱性水电解制氢的新趋势进行了展望。     

碱性膜电解水制氢技术现状与展望

开发清洁高效的可再生能源是未来能源转型的必然趋势。氢能作为一种绿色无污染的能源载体,可通过电解水技术实现氢能与电能的高效转化,有望作为风力、光伏发电的重要调节手段。碱性膜电解水制氢能够提高电流密度,增加能量转化效率,优于碱性水溶液电解水制氢;与此同时,可采用铁、镍等非贵金属制备催化剂,克服质子交换膜电解水制氢使用贵金属催化剂带来的设备昂贵、资源受限问题。本文综述了碱性膜电解制氢技术发展现状,重点围绕自支撑催化电极、耐碱腐蚀离子膜、有序结构膜电极开展讨论,包括催化剂制备策略,耐碱离子膜发展现状,以及有序化膜电极的应用优势,阐释电化学工程中的传质与反应耦合原理。本文为进一步研究开发高性能电化学关键材料提供了指导思路,推动电解水制氢技术的发展。     

Ni/CrN高效电催化剂的制备及其析氢催化性能

氢能是一种具有高能量密度的清洁能源,如何有效的开发绿氢技术是当前社会首要解决的问题,而研发高效稳定的电解水产氢技术的电催化剂是一种可行性的方式,对促进氢能经济的发展具有重要的意义。通过水热-高温热解两步法合成了一种氮化铬支撑镍纳米颗粒的催化剂(Ni/CrN)。利用XRD、XPS、SEM以及TEM等测试手段对催化剂的形貌及结构进行表征,并在碱性环境下对催化剂进行电催化析氢性能的研究。结果表明,Ni/CrN形成了具有珊瑚状的微观结构,优化了电子结构,并且表现出了优异的析氢反应(HER)催化性能,在10 mA/cm²的电流密度下,Ni/CrN催化剂仅有66 mV的过电位和47 mV/dec的Tafel斜率,十分接近商业的Pt/C催化剂的析氢性能。在10 mA/cm²电流密度的循环稳定性测试中,Ni/CrN表现出比商业Pt/C电极更优越的催化稳定性。     

中南大学在廉价电催化水分解研究领域取得重要进展

<正>作为一种重要的可持续新能源技术,开发高效、廉价的水分解电催化剂受到广泛关注。中南大学材料科学与工程学院刘小鹤教授团队在廉价电催化材料领域取得了系列进展,《先进功能材料》《应用催化B:环境》等国际权威期刊连续发表了该团队最新研究成果。氢能是最具前景的清洁能源之一,电解水产氢是目前较为理想的制氢技术。然而,这项技术的广泛应用     

可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展

氢能是一种清洁、高效的二次能源,是构建未来清洁社会的重要支撑。在众多制氢技术中,利用可再生能源产生电能,并通过电解水制备高纯度氢气是最具潜力的制氢路线之一。本文在介绍三种电解水制氢技术及核心部件的基础上,重点讨论了电解水析氢催化剂,特别是过渡金属基电催化剂及单原子催化剂的研究进展。本文最后对可再生能源发电与电解水制氢技术的耦合进行了分析与讨论,简述了现阶段国内外基于可再生能源发电制氢项目的开发进展。文章指出,随着电力成本下降,高效、稳定、经济的析氢催化剂的开发,可再生能源发电制氢将成为解决能源消纳、加速氢能产业化进程、最终实现我国向低碳清洁能源转型的重要途径。     

电解海水制氢的机遇与挑战

在双碳目标的背景下,氢能是传统化石能源的重要替代能源,相比化石能源的高碳排放和高污染,氢能表观上是一种绝对清洁的能源。各种制氢技术以及其发展方向是当下研究人员的关注热点,电解水制氢技术是实现将电能转换为氢载体进行储存的最理想方式,本文着重介绍了电解海水制氢技术,分析了电解海水制氢发展的机遇与挑战。     

芳烃蒸汽催化重整制氢研究进展

氢能是一种清洁的二次能源,具有绿色环保、零污染、零碳排放等优点。芳烃蒸汽重整制氢原料来源广、单位体积原料产氢量高,在重油焦油清除升级、便携式移动制氢等领域极具应用价值,其核心在于高性能催化剂的开发。文章首先从芳烃重整反应特性、反应网络、动力学模型构建和吸附解离等方面对其反应动力学及机理进行了概述,认为采用热力学理论计算、先进的原位表征技术和严密的逻辑论证实验等综合手段是加深反应动力学和机理认知的关键;其次,按照催化剂组成分类,评述了不同活性组分、载体及助剂的特点,基于镍基双金属活性组分的协同效应、钙钛矿载体的强储/释氧能力和碱性助剂的酸调控作用,指出碱性助剂改性的负载型镍基双金属钙钛矿催化剂是其发展方向。     

二维层状纳米片材料制备及在电解水中应用的研究进展

高效、清洁的氢能被认为是化石能源最有潜力的替代能源之一。制氢方法中电解水制氢是非常简便、且易于规模化的一种方法,但是电解水过程中存在制氢能耗增加、成本升高等问题,因此制备能耗低、具有稳定催化效率的催化剂成为能源领域的研究热点。层状双金属氢氧化物（LDHs）由于具有独特的二维层状结构,使其组成易于调节、结构易于调控,因此具有高效的电催化活性。但是,LDHs存在尺寸大、厚度高的问题,导致电催化剂的活性位点的数目受限、本征活性低和电导率低,最终会影响LDHs的电催化性能。主要论述了LDHs的结构和电解机理以及作为电解水催化剂的研究现状,对目前存在的问题以及解决方法进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。     

镍基氨分解制氢催化剂体系助催化剂研究进展

氢能作为一种全球公认的清洁能源引起各界的广泛关注，催化氨分解反应是获得纯净氢气的重要途径之一。镍基催化剂因具有良好的经济性和催化活性，展示出潜在的工业应用前景。然而相比于贵金属催化剂钌、铱、铂，镍催化反应体系则需要更高的反应温度，增加了反应能耗。另外，高温反应条件也容易引起活性组分的烧结，导致活性降低。碱金属、碱土金属、稀土金属等助催化剂对改善镍基催化剂性能有显著的效果。结合金属镍氨分解制氢的反应机理，详细讨论了助催化剂的引入对催化剂性能提升的原因，主要表现在其改善了催化剂的酸碱性、金属分散性和颗粒大小以及稳定性等方面。最后，对镍基催化剂助催化剂的发展方向进行了合理展望，指出应从原位表征对催化剂进行研究，探索原子尺度的制备方法以实现精准调控，以及深入探究助剂的作用机理等。     

可再生能源大规模制氢前景概述

传统的化石能源储备是有限的,大力开发可再生能源,加快提升非化石能源的比重,减少碳排放是今后发展的方向。水电解制氢技术已相当成熟,将可再生能源与水电解制氢技术相结合,从而和氢能源形成微网,可以实现能源的有效转换,提高可再生能源的利用率和占比,而且可以将制取的氢气作为燃料应用在工业P2G中,被认为是解决大规模储能和碳减排耦合的关键。然而要想真正实现利用可再生能源大规模制氢技术的发展,本文分析了制约其大规模发展的瓶颈以及应对方案。随着我国可再生能源发电量的提高,可再生能源与水电解制氢向着电氢体系迈进,最终实现"碳达峰"和"碳中和"的目标以及推动现有能源系统向更新型、更优化的方向发展。     

氨分解制氢镍基催化剂研究进展

氨分解制氢清洁高效,易于工业化使用,是一种极具前景的便携式制氢方法。镍作为氨分解非贵金属催化剂中性能最好、应用最广的催化剂,但仍存在低温活性低、易烧结等问题亟需改进。本文概括了氨分解反应的反应机理、动力学和热力学,综述了近年来国内外氨分解镍基催化剂的研究现状。研究者从镍金属活性中心调控出发进行研究,发现调节镍粒子尺寸、加入第二金属（Fe、Co、Mo等）、载体（Al₂O₃、SiO₂、分子筛等）、助剂（碱土金属、稀土金属等）以及设计核壳结构进行调控,可提高镍金属的分散性和抗烧结能力。本文在以上基础上提出了镍基催化剂的改进措施和未来发展方向,以期为进一步设计出低温高活性镍基催化剂提供依据。