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。     

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。     

过渡金属磷化物的改性方法及其在电化学析氢中的应用

过渡金属磷化物催化活性高、稳定性好，是电催化析氢的良好催化剂。然而，实现过渡金属磷化物在电解水制氢领域的大规模应用，还需要进一步提升其催化性能。本文以过渡金属磷化物的组成变化为出发点，从金属/磷（M/P）化学计量比的角度对过渡金属磷化物的性能进行了总结，介绍了其常见的制备方法，详细综述了元素掺杂、构造缺陷、构建界面工程、耦合炭材料、调控微观结构、改善材料浸润性等改性方法对过渡金属磷化物电催化制氢性能的影响。最后在新型磷源的开发、测试标准化、晶面调控等方面对过渡金属磷化物的发展趋势进行了展望。     

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。     

表/界面调控策略在氢/氧反应电极中的研究进展

高效的非贵金属基电催化剂对于提升氢气析出反应（HER）、氧气析出反应（OER）、氧气还原反应（ORR）等电催化反应的整体效率、促进能源转换技术的发展及应用起着至关重要的作用。近年来,对现有的电催化剂进行表/界面调控以诱导其产生新的理化性质,从而提高催化活性的研究受到了广泛的关注。本文综述了近年来利用形貌尺寸调控、缺陷调控、杂原子掺杂、异质结结构等表/界面调控策略在设计非贵金属基电催化剂方面的研究进展,揭示了催化材料体系改性对优化和提升催化性能的关键特性。从催化剂制备、先进表征手段、理论计算、应用性评价等方面展望了非贵金属基电催化剂在实际应用中存在的挑战和未来的研究方向,为实现清洁能源的大规模应用提供参考。     

基于过渡金属电催化析氢催化剂的研究进展

随着人口快速增加,开发可持续能源已经成为当今世界的首要任务之一。氢气被认为是一种无污染、可再生的新能源,可以代替化石能源。氢气可以由电解水的电催化析氢半反应获得。传统的电催化析氢催化剂主要由贵金属构成,而贵金属稀少,价格昂贵,不适合大规模工业制氢。探索高效的非贵金属电催化析氢反应催化剂十分必要。基于过渡金属开发的电催化析氢反应催化剂引起广泛关注,综述基于过渡金属电催化析氢反应催化剂的研究进展,概述电解水原理,讨论基于过渡金属化物的电催化析氢反应催化剂材料的制备方法,包括硫化物、硒化物、碳化物、氮化物、磷化物及其复合物。探讨增强催化剂电催化析氢活性的方法及基于非贵金属电催剂材料面临的挑战和前景展望。     

非贵金属光电催化材料分解水制氢研究进展

重点介绍光电催化分解水制氢的原理,分析得出非贵金属光电催化材料分解水的必要条件。探讨了几种非贵金属催化剂在光电催化分解水制氢领域的研究成果,主要从催化剂的制备方法、改性方法、光电催化分解水制氢的影响因素等方面进行总结,指出非贵金属光电催化材料在光电水解制氢领域已得到广泛的应用,但在改性方法、作用机理、性能稳定等方面还存在一些问题亟待进一步的探究。     

PEM电解水析氧催化剂研究进展

氢能是一种理想的洁净能源载体。质子交换膜(PEM)电解水技术以其电解效率高、安全可靠、结构紧凑、对可再生能源具有快速响应性等特点,被公认为极具发展前景的制氢技术之一。目前,制约PEM电解水技术大规模商业化应用的因素之一在于较高的制造成本,尤其是成本占比较高的贵金属,针对于PEM电解的研究多集中在贵金属催化剂上。本文综述了析氧电催化剂研究进展,并对析氧催化剂的未来研究方向进行了展望。     

过渡金属氧化物催化析氧反应研究进展

利用可再生能源电解水制氢,是实现绿色氢能经济的必由之路。现阶段,电解水过程的阳极析氧反应过电位较高,催化剂性能不稳定,制约着该技术的工业化应用。使用经济高效的催化剂,可显著降低析氧过电位,提高电解水制氢过程的经济性和电能转化效率。在各类析氧催化剂材料中,过渡金属氧化物（TMOs）由于晶体结构多样、储量丰富、环境友好、易于制备以及活性较高等优点,受到了越来越多的关注。本文从活性和稳定性出发,总结分析了近年来过渡金属氧化物催化析氧反应的研究进展,并对其未来的发展提出了建议与展望。     

太阳能光催化分解水制氢研究进展

利用太阳能分解水制备氢气是一种将太阳能转换成氢能的有效方式。介绍了太阳能光催化分解水制氢的原理,综述了近年来国内外太阳能分解水制氢催化剂的研究进展,介绍了贵金属负载、离子掺杂以及复合半导体等技术对催化剂进行修饰和改性处理的技术及其影响,并展望了未来太阳能光催化分解水制氢催化剂的发展方向。     

质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望

氢能是支撑起智能电网和可再生能源发电规模化的最佳能源载体,而电解水制氢是实现制氢规模化的重要途径。在多种电解水制氢技术中,质子交换膜电解水技术由于具备电流密度大、产氢纯度高、响应速度快等优势,吸引了科学界和工业界的广泛重视。本文首先介绍了质子交换膜电解池的结构组成以及各组成的主要作用,对比分析了碱性电解池、固体氧化物电解池与质子交换膜电解池的技术差异,并结合电解水析氢反应以及析氧反应的机理阐释,分别介绍了两步半反应的常用催化剂;然后,从最初的实验室研究阶段到目前兆瓦级别的质子交换膜电解水系统,回顾了该技术的发展历程以及应用现状;其次,从制氢成本、电堆性能及电堆寿命等多角度分析目前该技术面临的瓶颈问题;最后,根据质子交换膜电解池的技术优势,并针对上游间歇性可再生能源的需求以及和下游产业的联合应用,对其未来前景进行了展望。     

Advance in non-noble metal catalysts for catalytic combustion of volatile organic compounds

催化燃烧是实现挥发性有机物（VOCs）高效燃烧的一种处理技术。本文综述了近年来催化燃烧处理VOCs用非贵金属催化剂,包括单一过渡金属氧化物催化剂、复合过渡金属氧化物催化剂以及钙钛矿型催化剂的研究进展。重点综述了水蒸气对催化燃烧VOCs反应过程的影响。提出高效非贵金属催化剂的研制需结合实际应用中的工艺条件,催化机理和优化制备过程是催化燃烧VOCs用非贵金属催化剂深入研究的重点和主要方向。     

富氢气体中CO优先氧化催化剂研究进展

以高纯氢为燃料的质子交换膜燃料电池广泛应用于电动汽车,但其阳极容易被富氢气体中含有的少量CO毒化,造成电池性能严重降低。富氢气体在进入燃料电池前,必须进行CO净化处理。优先氧化法是除去富氢气体中少量CO最简单经济有效的方法,常用催化剂主要有Pt系、Au系和Cu系催化剂。着重阐述负载Au催化剂的制备方法、载体调变、助剂改性以及其他因素（如反应气氛中CO与O₂浓度比、水蒸汽和CO₂等）对Au催化剂CO优先氧化反应催化性能的影响。介绍以CuO/CeO₂催化剂为典型的非贵金属氧化物催化剂用于CO优先氧化反应的研究成果以及制备方法、载体和助剂改性等对催化性能的影响和反相结构CeO₂/CuO的催化性能。考虑利用催化剂活性组分,尤其是Au与Cu之间的协同作用,选用合适的载体,进行催化剂组分的设计仍然是今后研究的热点。突破常规无定形金属氧化物作载体,通过设计合成具有特定形貌的载体,研究不同晶面和不同价态等因素对催化剂CO优先氧化催化性能的影响,也是一项很有意义的研究。     

碳达峰与碳中和目标下PEM电解水制氢研究进展

氢能作为重要的能源载体，燃烧过程绿色无污染，能够助力碳达峰和碳中和目标实现。本文通过对比化石能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢等方式，分析各制氢方式的优缺点，阐述了质子交换膜（PEM）电解水制氢与可再生能源结合的重要意义。之后从PEM电解槽内部结构和可再生能源电解水制氢两个方面展开综述，详细介绍了PEM电解槽双极板、催化剂、扩散层、质子交换膜研究进展、存在的主要问题和未来发展方向。文中通过分析我国太阳能、风能分布特征，总结可再生能源利用存在的问题，从研究现状和产业发展的角度介绍了太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。最后对可再生能源PEM电解水制氢的未来发展方向进行了展望，期望为可再生能源PEM电解水制氢的发展提供借鉴和参考。     

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。     

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。     

基于MOFs材料光催化分解水制氢的研究进展

“双碳”目标的提出让氢能热度持续攀升，制氢技术突破是氢能连接能源消费终端的关键桥梁，光催化分解水制氢技术是实现太阳能低碳转化的有效途径。其中，利用具有比表面积和孔隙率高、结构可调、活性位点丰富等优势的金属有机框架（MOFs）材料光催化分解水制氢是近年来的研究热点。该文综述了国内外基于MOFs材料光催化分解水制氢体系中半导体复合、金属离子掺杂、敏化剂修饰和贵金属负载等方法的改性原理、技术难点和制氢效果等，重点阐述比较了上述MOFs改性方法在抑制光生电子空穴对复合、优化MOFs禁带宽度和增加MOFs活性位点等方面的作用，提出了未来MOFs光催化分解水制氢可深入新型MOFs材料开发、敏化剂修饰工艺优化、拓展先进表征手段的研究方向。     

乙炔氢氯化反应非贵金属无汞催化剂的研究进展

由于具有较好的催化活性和环境友好性,用于乙炔氢氯化反应的无汞催化剂日益受到人们的重视。本文概述了近年来国内外乙炔氢氯化反应无汞催化剂的研究进展,综述了改善非贵金属催化剂性质的主要方法,探讨了催化剂的活性组分、载体及制备过程对催化活性的影响,简要介绍了气固相催化体系和液相催化体系的催化机理与催化活性之间的关系,分析了高活性、长寿命的乙炔氢氯化反应非贵金属无汞催化剂所应具备的必要条件。研究表明,多种非贵金属的协同催化、载体处理方法的多样化、制备过程的优选组合及离子液体的应用将是今后乙炔氢氯化反应催化剂的发展趋势。