过渡金属化合物催化剂在电解水析氢中的应用进展

概述了过渡金属氧化物、硫化物、磷化物以及其复合材料作为电解水析氢反应催化剂的应用进展。讨论了过渡金属化合物中纳米结构、杂原子掺杂和缺陷工程等不同改性方法对电解水析氢反应的影响,分析了过渡金属化合物复合材料在电解水析氢反应中具有高效率的原因。总结了过渡金属化合物催化剂在电解水析氢领域应用面临的挑战和未来的机遇。     

镍基磷化物复合材料在催化电解水析氢性能提升方面的研究进展

镍基磷化合物因其自身的类氢化酶电子结构和其出色的稳定性被证明具有良好的电解水析氢能力。单金属磷化物因其本征活性不足、导电性不高及稳定性较差等问题,使其在实际应用上受到了限制。综述了结构新颖、性能优异和稳定性高的镍基磷化物复合材料的研究进展,总结和分析了通过杂原子掺杂、形貌调控、结合自支撑材料和复合新型材料（碳纳米管、石墨烯、石墨炔、二维材料MXene）等方式在调控催化材料的电子结构、微观形貌、促进长时间电解稳定性、增大比表面积和提高导电性方面提升电解水析氢性能的研究成果。为探索催化活性高和结构稳定兼备的新型镍基磷化物复合材料提供研究方向。     

含磷的镍基合金对氢析出的电催化活性的研究

用电沉积的方法制备了镍磷、镍钴、镍钴磷及镍铈磷合金电极,并用电化学和ＸＰＳ等方法研究了上述电极对析氢反应的电催化活性、电极的电子结构及析氢机理。实验结果表明：在镍钴合金中加入第三元素磷以后,引起合金中的金属原子的未配对ｄ电子向Ｐ转移,使得合金中的电子结构和各元素的电子结合能发生变化,导致吸附氢键强度的改变,使之有利于氢析了。镍钴磷及镍铈磷合金电极对析氢反应具有较高的催化活性。     

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。     

镍基金属氧化物活性阴极的制备和应用性能的研究

通过热分解法制备了不同掺杂金属配比的镍基金属氧化物活性阴极,考察了不同掺杂金属配比对活性阴极析氢过电位和长期稳定性的影响。在工业化试验条件下测试了活性阴极在高碱浓度中的抗Fe2+中毒和抗反向电流氧化的性能。用稳态极化法测定了镍基金属氧化物活性电极的极化曲线,通过X-射线衍射仪和扫描电镜分析解释了活性阴极在碱性溶液中的析氢行为,并探讨了在碱液中的电催化反应机制。以铁阴极为对照,采用热分解法制备的镍基金属氧化物活性阴极具有很好的电催化性能、长期使用稳定性、抗反向电流氧化作用和抗Fe2+中毒等性能。     

石油焦基多孔碳催化析氢反应性能研究

析氢反应是水分解制氢的关键步骤,有关析氢催化剂的研究是新能源研究领域的热点课题。本文对石油焦基多孔碳进行表面改性,将氧、氮等杂原子官能团引入碳材料表面。电化学测试表明,在石油焦基多孔碳表面同时引入含氮和含氧官能团,可以更高效地提高其析氢反应活性,其析氢反应过电位可以达到170 mV,表现出优异的析氢催化活性,是一类有潜力的析氢反应催化剂。     

磷化物催化剂体系下二苯并噻吩加氢反应网络研究

为考察二苯并噻吩在磷化物体系下催化加氢的反应网络,以分子筛SBA-15为空白载体,利用等体积浸渍制取了一系列磷化物催化剂,Ni/P摩尔比为1.25,对不同Ni金属担载量的磷化物催化剂的性质进行了分析。采用含有1%二苯并噻吩的模型化合物为原料进行加氢脱硫试验,利用20 m L连续固定床加氢精制装置对制备的磷化物催化剂进行了活性评价。结果表明,相对于商业催化剂,低温和磷化物催化剂体系下二苯并噻吩具有更高的转化率,280℃转化率可达80%以上;碱性氮化物喹啉的存在抑制了二苯并噻吩加氢反应,转化率在320℃时由接近100%降至70%左右,此条件下,产物中联苯以及环己烷基苯的选择性随温度变化不大,二苯并噻吩大部分通过直接脱硫路径进行转化。评价结果显示,磷化物催化剂具有更高的氢解活性和更好的直接加氢脱硫效果。     

电沉积镍—钴—磷合金析氢反应电催化行为的研究

采用电沉积法制得镍钴和镍－钴－磷合金,测量了其作为阴极在１Ｍ氢氧化钾溶液中的极化曲线以研究其催化化活性。实验发现,与镍电极相比,镍钴合金镍－钴－磷合金的析氢电位正移,其中,镍－钴－磷保金析氢电位正移２００多毫伏。此外,还通过扫描电镜试验和镀层成分分析从理论上探讨了磷元素对其析氢催化活性的影响。结果表明,镍－钴－磷合金具有较高的析氢催化活性,有利于降低槽压,减少能耗。     

电沉积Ni-P-ZrO2复合电极析氢电催化性能的研究

用电沉积方法制备了镍－磷－二氧化锆复合电极。通过阴极极化曲线,交流阻抗等电化学技术研究其析氢催化性能,并用扫描电镜观察电极的表面形貌。实验结果表明,在80℃,25％氢氧化钠碱性溶液中镍－磷－二氧化锆的表观交换电流密度及表面粗糙度皆大于镍,镍－磷电极,而反应电阻较小。说明镍－磷中引入二氧化锆所形成的复合镀层具有较高的析氢催化活性和良好的电化学稳定性。     

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。     

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。     

改性镍基催化剂催化增强次氯酸钠氧化性的性能研究

次氯酸钠具有强氧化性，但因性能极不稳定，大大降低了其氧化性能的利用率。采用混捏法制备改性的镍基催化剂催化氧化次氯酸钠，生成的原子氧具有极强的活性，特别是在次氯酸钠浓度不高时，可大大提高次氯酸钠的氧化性能和利用率。采用混捏法制备的改性镍基催化剂用于催化分解次氯酸钠产生活性氧。通过FT-IR、SEM和BET等方法对催化剂的物化性能及催化性能进行了研究，考察了改性镍基催化剂催化分解次氯酸钠溶液反应动力学和活性氯的变化情况。结果表明，添加Fe₂O₃的镍基催化剂具有较高的活性，在改性镍基催化剂作用下，反应活化能大大降低，次氯酸钠活性氯的转化率达到90％以上。在初步处理有机废水的实验中，COD的去除率达到92.5。     

含锆铁基合金活性阴极的电催化性能

用熔炼的方法制备了不同锆含量的铁基合金活性阴极，研究了锆含量对合金活性阴极的电化学性能的影响，并对电极的表面形貌和力学性能进行了表征和测试。实验结果表明：用熔炼法制得的含锫铁基活性阴极具有很高的析氢催化活性，可使析氢反应超电位降低250mV以上。     

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。     

助剂对煤基合成气甲烷化反应用镍基催化剂的促进作用

助剂促进的合成气甲烷化反应用镍基催化剂具有反应活性高、使用寿命长以及甲烷选择性高等优点,被广泛应用于煤基合成气甲烷化制替代天然气反应中。本文重点介绍了贵金属、碱土金属、稀土金属以及过渡金属助剂等对活性镍基催化剂的分散度、还原度、双金属合金协同效应、镍基催化剂结构稳定性及其对合成气甲烷化反应速率和产物选择性的影响。较系统地分析了这些助剂改性镍基催化剂的作用机制。提出了非贵金属助剂以及复合助剂将是合成气甲烷化用镍基催化剂助剂研发的发展方向,旨在为煤基合成气制替代天然气甲烷化催化剂的研发提供借鉴和参考。     

镍基TiO2复合电极的制备及电催化析氢性能

在含有TiO₂颗粒的氨基磺酸体系镀镍液中通过电沉积制备了Ni/TiO₂复合镀层。采用扫描电子显微镜(SEM)、红外吸收光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)对镀层进行表征的结果显示,TiO₂颗粒成功地沉积在镍镀层中,并改变了镍镀层的表面微观形貌和相结构。通过极化曲线、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱(EIS)、计时电位曲线等电化学测试考察了不同TiO₂质量浓度下所得Ni/TiO₂复合镀层的析氢活性和稳定性。与Ni镀层相比,Ni/TiO₂复合镀层显示出更高的析氢催化活性。TiO₂表面存在的羟基有利于析氢反应中氢吸附原子的形成,提高了析氢反应速率。在10 mA/cm²的阴极电流密度下,以6 g/L TiO₂制备的复合镀层表现出较低的析氢过电位(310 mV),具有最高的析氢活性。     

含钴催化剂电化学析氢研究进展

综述了近几年含钴材料(含钴磷化物、含钴硫化物、含钴氧化物、含钴氮化物)的制备方法及其作为电催化析氢催化剂的研究进展,对含钴材料作为电催化析氢催化剂的发展方向进行了展望。     

活性镍纳米电极的制备及其电化学性能

针对海水防污技术研究了两种镍电极在海水中的析氢性能.采用交流电在阳极氧化铝(AAO)模板上沉积镍纳米线与化学镀结合的方法制备了镍纳米电极,用机械抛光的方法制备了镍本体电极.用SEM表征了AAO模板与镍纳米线阵列,用XRD表征了两种电极的结构.循环伏安、极化曲线和交流阻抗的测试表明纳米电极具有较大的活性面积,更好的析氢催化活性和更小的析氢反应电阻.尤其在电流密度为100mA/cm2时,纳米电极的极化电位比镍本体电极正移约357mV,表现出更好的析氢性能.     

电沉积制备Ni-P非晶态催化电极上的析氢反应

用直接电沉积法在室温下制备出不同磷含量的Ni-P合金电极,用恒电流极化法研究了电极在20℃的1 mol/L KOH溶液中作为析氢反应阴极的催化性能,并用XRD及SEM方法研究了Ni-P合金镀层的组织结构. 实验结果表明,磷含量为8.49 at%的Ni-P合金电极具有优良的催化性能,在150 mA/cm2的电流密度下,析氢反应过电位最低,约为95 mV, 比纯镍电极低342 mV, 低电流密度区的Tafel斜率为65.4 mV/dec, 表现出良好的析氢催化活性, 这种高催化活性与镀层磷含量及组织结构有关.     

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。