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.     

金属氧化物电催化析氧机理的研究进展

电解水制氢是风能、潮汐能、太阳能等可再生能源转换和存储的重要途径。受限于四电子缓慢动力学过程,析氧反应（Oxygen evolution reaction, OER）是水分解的瓶颈反应。高活性析氧电催化剂是实现高效电解水制氢的关键之一。自从20世纪电解水发展以来,金属氧化物由于具有较好的活性和稳定性,是研究最深入也是最有发展前景的一类低成本析氧电催化剂。对催化反应机理的认识是高效析氧电催化剂理性设计的前提和关键,开发高效稳定的析氧催化剂并阐明其反应机理是目前析氧电催化领域的热点课题。按照一般异相催化的机理范式,人们提出了传统吸附机理,并建立了相应的活性预测模型来指导催化剂的研究。然而随着研究的深入,基于传统催化机理的活性预测模型和描述符的局限性日趋显现,部分新型催化剂的高活性和动力学特征无法用传统机理模型进行解释,析氧催化剂的研究也由此遭遇瓶颈。近年来,得益于各种先进表征手段和理论计算的飞速发展,新型析氧电催化机理逐渐被发展,为下一代高性能电催化剂的指明了方向。目前提出的新型催化机理主要有：晶格氧机理、双位点协同耦联机理、质子受体机理。同时,近期在一些催化剂中影响催化剂稳定性的阳离子析...     

Co-Cu双金属MOF纳米片的合成及电催化析氧反应研究

析氧反应(OER)是电解水制氢的阳极反应,其反应速度仅为阴极析氢反应(HER)速度的十分之一。为了加快反应速度,通常需要使用RuO₂等贵金属催化剂,但贵金属的稀缺性及较低的催化活性限制了其发展。金属有机框架(MOFs)材料是一类非常具有发展前景的OER电催化剂,然而目前MOFs在电催化OER中的应用也面临诸多问题,例如制备过程复杂、配体价格昂贵、催化活性低等。在此,提出了一种简易的表面活性剂辅助法制备Co-Cu双金属MOF纳米片的方法,在室温下搅拌对苯二甲酸和硝酸铜、硝酸钴,十二烷基硫酸钠的混合溶液,即可得到尺寸约为100～200nm的Co-Cu MOF纳米片。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等手段对材料结构进行了表征。电催化OER性能测试表明,Co-Cu MOF(n_Co∶n_Cu=2∶1)在碱性条件下对OER反应具有优异的OER活性,达到电流密度10mA/cm²时的过电位(η₁₀)仅为320mV,明显优于单一的Co M...     

ZnO增强MxCo3-xO4电催化析氧性能研究

氢能因热值高、燃烧产物无污染等优良特性,成为目前新型能源研究的焦点,有望成为化石能源的理想替代品。电催化水分解作为最具前景的氢气制备方法,包含两个半反应:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。其中OER目前主要采用贵金属作为催化剂,但其高成本极大地限制了电催化产氢的工业化。基于Co 3O 4的Co基掺杂氧化物具有成本低廉、催化活性高且稳定性强等优良特性。目前对于Co基掺杂氧化物的研究主要集中于探究掺杂不同金属元素(Zn,Ni,Fe等)对其催化活性的影响,极少研究掺杂惰性氧化物对其催化活性的影响。合成了一种CoFeNiZn复合氧化物,且具有优良的电催化活性和稳定性。在1 mol/L KOH的电解液中,10 mA/cm 2的电流密度下,CoFeNiZn复合氧化物过电势(η10)为310 mV,塔菲尔斜率(Tafel slope)为40 mV/dec,相比原始CoFeNi氧化物(η10为400 mV)过电势降低了90 mV。CoFeNiZn催化剂催化性能的提高主要是由于以惰性ZnO作为基质可有效地分散催化活性物质,并充分暴露CoFeNi氧化物的催化活性位点。这一基于催化材料掺杂非活性物质提高催化剂催化活性的发现可以为现有催化剂开发提供新的思路。     

TMSs催化剂用于电解水制氢技术的研究进展

氢能作为一种高能量密度、低分子质量以及无污染的绿色能源,未来有望替代传统能源。电解水制氢过程简单且是生产高纯度氢的重要方法,但水电解过程中反应动力学缓慢,严重影响电解水制氢的效率。过渡金属硫化物(TMSs)催化剂由于其低廉的价格和优异的电催化性能而成为研究重点。综述了TMSs催化剂最新研究成果和应用,以氢析出反应(HER)和氧析出反应(OER)的反应机理为出发点,通过电化学测试和电极表征的评估方法,重点介绍TMSs催化剂的制备方法及分析其在电催化水解制氢技术的研究进展。并针对TMSs催化材料面临的发展和问题进行讨论,为进一步提高TMSs的电解水制氢性能提供了崭新的思路。     

高电导率银纳米线@聚吡咯@CoNi气凝胶的制备及其电催化析氧性能

针对传统贵金属析氧反应(OER)电催化剂的电导率较低、催化活性较差、成本高等问题,开发高效耐久、低成本且具有高暴露活性表面和优良导电性的电催化剂已迫在眉睫.通过冷冻干燥法合成银纳米线@聚吡咯(AgNWs@PPy)气凝胶,然后使用溶剂热法在AgNWs@PPy气凝胶骨架表面生长纳米CoNi合金,获得了OER电催化性能良好的...     

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...     

碳化钼电解水析氢催化剂的性能调控研究进展

氢气作为一种绿色、可持续的能源,有望代替传统的化石能源。电解水产氢是氢能可持续发展的理想途径。发展非贵金属电催化剂,提高电催化析氢反应(HER)效率,成为目前面临的主要问题。碳化钼因具有较好的电催化析氢活性和优异的稳定性,得到了广泛的关注。本文综述了近几年碳化钼电催化剂电解水产氢的研究进展,重点分析了提高其电催化析氢性能的一些方法,并对碳化钼的性能调控研究进行了展望。     

双功能过渡金属化合物的构建与应用

氢能作为一种清洁能源,通过不可储存的可再生资源发电催化水分解制氢,被认为是解决能源和环境危机最有前景的技术之一。电解水反应必须使用高效催化剂降低析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的过电势,因此开发高效、廉价的HER-OER双功能催化剂具有简化整体系统和降低成本的优势。综述报道了近3年HER-OER双功能催化剂的最新发展,对几种主要类型的双功能全电解水催化剂的合成、催化活性、稳定性及增强活性的方法进行了详细讨论,并对双功能催化剂面临的挑战和发展方向进行了展望。     

钴基电极材料的改性策略及其应用研究

钴基材料作为非贵金属材料中重要的一员，因其具有较高理论容量、良好的催化活性及出色的热/化学稳定性，被广泛应用在超级电容器(SCs)和电催化等电化学能源储存与转化领域中。然而目前在钴基材料的应用中还存在诸多缺陷，如导电性偏低，活性位点暴露的不充分，测试过程中活性组分易团聚、分解，结构稳定性较差等。近年来，许多研究报道了改性钴基材料来提升其电化学性能，基于此，本综述详细介绍了近几年对钴基材料的改性研究，主要包括形貌调控、元素掺杂、构筑异质结、缺陷工程及与载体材料复合。然后，对其在SCs、电催化氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)及析氢反应(HER)中的应用进行系统性的总结。最后，提出钴基材料当前存在的问题和未来的发展方向。