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。     

生物质碳基电解水催化剂定向构筑研究进展

生物质碳具有廉价易得、环境友好以及物化结构可调控的优点,是负载过渡金属的良好基底,在电解水方面应用前景广阔。碳基底的比表面积、孔隙分布等物化结构直接影响了催化活性位点的利用以及电解液离子扩散,是发挥过渡金属电解水催化潜力、决定催化剂性能的关键。介绍了不同生物质的热解机理,对高温热解法、水热碳化法以及微波热解法等生物质碳常见制备方法进行了归纳,并比较不同制备方法优缺点。总结了物理法、化学法及模板法等生物质碳物化结构定向调控策略,探讨了不同调控策略对生物质碳比表面积、孔容、平均孔径等物理化学性质的影响。归纳了杂原子掺杂及金属活性组分负载等常见生物质碳基电解水催化剂构筑策略,并对其在析氧反应、析氢反应、双功能催化及杂化电解水等方面的研究现状进行总结,详细阐述了其在电解水方面取得的进展。最后对生物质碳基电解水催化剂在微介孔比例调控、导电性提升、亲水性提升以及催化剂成型处理等方面面临的挑战进行了展望。     

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。     

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。     

电催化析氢催化剂研究进展

氢能热值高和环境友好性强等特点使其成为未来能源界最具发展潜力的能源之一。电催化析氢反应（hydrogen evolution reaction,HER）作为一种绿色、可持续的产氢方法成为近年来广泛研究的主题。发展高性能、低成本、高活性的析氢催化剂是目前该领域面临的主要挑战。本文总结了近年来高性能催化剂用于HER反应的进展,重点介绍HER反应的基本原理,评估HER催化剂催化性能的典型方法,过渡金属以及化合物、非金属催化剂以及单原子催化剂等电催化析氢催化剂的最新研究进展,系统讨论了催化活性与催化剂形态、结构、组成和合成方法之间的联系,并对催化剂的合成策略、活性位点的固有活性、如何提高活性中心的内在活性和活性位点的数量进行了展望。     

非晶态硼化物Ni-Fe-Co-B的合成及电催化析氧性能

电解水制氢是绿色氢能源研究中的热点课题。其中，析氧半反应较高的过电位是导致电解水动力学缓慢的主要原因。为了提高电解水制氢的效率，本文主要通过简单的液相合成方法，以硼氢化钠和过渡金属Ni，Fe，Co盐为原料，制备了非晶态的过渡金属硼化物Ni-Fe-Co-B，将其作为析氧半反应催化剂。对Ni-Fe-Co-B进行了SEM、TEM、XRD、XPS和电化学表征。结果表明，非晶态催化材料Ni-Fe-Co-B被成功合成，当n(Ni)∶n(Fe)∶n(Co)=1∶1∶1，电流密度为20 mA/cm2时，Ni-Fe-Co-B的过电位仅为299 mV，Tafel斜率为101 mV/dec。在0.47 V的恒电压测试下，Ni-Fe-Co-B具有12h以上的稳定性。     

石墨烯材料电催化析氢活性高

<正>中国科学技术大学陈乾旺教授课题组近日以贵金属铱掺杂的金属有机框架材料作为前驱体,一步煅烧制备了氮掺杂的类石墨烯层包裹铱钴合金核壳结构材料,在酸性电解质析氢反应中表现出高活性和高稳定性。该工作为今后寻找更为廉价、高效的电催化析氢催化剂提供了新思路。近年来,电解水制氢受到学术界广泛关注,     

过渡金属氮化物制备方法及吸氢机理研究进展

介绍了过渡金属氮化物的制备方法,讨论了影响程序升温氮化法的因素;分析了过渡金属氮化物催化剂的吸氢活性、吸附机理.与传统的过渡金属硫化物催化剂相比具有更加优异的氢吸附、活化和转移能力.在加氢脱硫、加氢脱氮和其他涉氢反应中有着广泛的应用.     

恒电位沉积制备超疏气的Co-Mo-Cu-O微纳米电极

在电解水析氢析氧过程中,反应生成的气体易粘附粉末状电极的表面,形成严重的"气泡屏蔽效应"。因此制备出电催化性能优异且超疏气纳米结构电解水电极具有重大意义。通过选取具有亲水性的本征材料,利用恒电位沉积与高温缓慢氧化制备超疏气的Co-Mo-Cu-O微纳米电极,并研究了其作为电解水催化剂的析氢析氧活性以及超疏气性能。     

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。     

金属氮化物/碳化物催化剂加氢性能研究进展

介绍了过渡金属氮化物/碳化物独特的晶体结构和电子性能及其与催化性能的内在联系。综述了过渡金属氮化物/碳化物在涉氢反应中催化加氢机理的研究进展,以及过渡金属氮化物/碳化物在加氢脱硫(HDS)、加氢脱氮(HDN)和其他涉氢反应中的应用。与传统的过渡金属硫化物催化剂相比,过渡金属氮化物/碳化物具有更加优异的氢吸附、活化和转移能力。     

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。     

酮与伯醇的α-烷基化反应研究进展

以伯醇为烷基化试剂对酮的α-烷基化反应是有机合成中的基本反应,是构建C—C键的重要方法。廉价易得的环境友好型原料醇类化合物作为亲电试剂,通过氢转移对酮进行α-烷基化反应,副产物只有水。综述了该反应的过渡金属催化剂、双金属催化剂和固体酸催化剂,其中,过渡金属催化剂尤其受重视。     

过渡金属羰基络合催化剂在有机合成中的应用及催化机理

过渡金属羰基络合物作为一种绿色、高效催化剂,在羰基化反应过程中起到了很好的催化作用。综述了几种主要的过渡金属羰基络合催化剂在羰基化反应中的主要应用及其催化机理。羰基化反应主要包括不饱和烃、有机卤代物、醇、杂环化合物等有机物的羰基化反应。     

乙苯催化氧化合成苯乙酮研究进展

综述了乙苯催化氧化合成苯乙酮的研究进展,介绍了杂多化合物、过渡金属络合物、金属原子簇化合物、金属卟啉化合物及分子筛催化剂对乙苯选择氧化反应的催化效果和特点。结果表明,钼钒磷杂多化合物及钴络合物是乙苯催化氧化反应的理想催化剂,具有良好的应用前景。     

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。     

综合实验设计:NiFe LDH/TiO2的制备及电解水性能测试

设计介绍了一个包括NiFe LDH/TiO₂纳米片制备及其析氢、析氧反应电催化活性评价的综合性电化学实验。通过开展本实验,学生能够学习利用电化学沉积方法制备电催化剂的技术;初步掌握利用循环伏安、塔菲尔曲线等电化学测试技术对析氧、析氢反应活性进行评价的方法;理解电解水制氢过程中涉及到的基本理论知识。本实验将引导学生关注绿色可再生能源的开发及应用,提升学生分析解决科研问题的能力和基本素养。     

电催化析氢反应催化材料的研究进展

氢能源作为21世纪的理想新能源,备受社会各界的关注。制取氢气的方法主要有3个大方向:化石能源制备氢气、生物能制备氢气、电解水制备氢气。电解水产生氢气更高效、安全和低成本,且电解水制氢是最环保、产物纯度最高的制备方式。目前,贵金属铂是电催化析氢反应中催化性能最好的催化材料,但昂贵的价格及在自然界中的低储量限制了其大规模的应用。近年来,人们对析氢催化材料进行了大量的研究与优化,以期开发出高效且低价的析氢反应(HER)中的催化材料。本文综述了HER中的析氢催化材料的研究进展,并对其未来的发展进行了展望。     

碳化钼的制备及其电化学性能的研究

在电解水的过程中,使用金属铂作为电化学析氢的材料具有价格昂贵、稳定性差等缺点,造成电解水析氢的成本高,不能大规模生产.所以科研人员开始探索高效率且价格低廉的催化剂来提高电解水的析氢效率.碳化钼由于与金属铂具有相似的d能带电子密度状态,且碳化钼具有导电导热性能良好、稳定性高以及简单的合成方法等特点,由此被认为是最佳的可替...     

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。