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。     

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。     

可再生电力电解制绿色氢能的发展现状与建议

氢能是人类生存和发展所需能源的重要补充。氢能产业,特别是氢燃料电池车,其开发与利用已经引起了全球范围内的普遍重视。然而,决定该产业快速发展的关键因素之一是清洁的氢气来源,如何使氢能产业更具经济环保竞争力。通过可再生能源发电电解水制氢将能量以化学能的形式储存起来,不仅能利用可再生能源制取高热值的氢气供使用,同时从制氢源头利用清洁的可再生能源可有效减少碳排放。为此,本文主要分析讨论了可再生能源发电与电解水制氢技术的耦合制取氢气的发展现状与发展趋势,简述了目前国内外利用可再生能源发电制取氢气项目的研究进展,并介绍了一些典型的清洁制氢案例。可以看到,风电、太阳能制氢是目前较为成熟的技术,但仍需提升其经济竞争力。而水电资源分布不均等缺点阻碍了其规模化发展。因此,政府、企业及科研院所需大力推进可再生能源发电制氢研究,有效解决氢能制备的效率问题,加速绿色氢能产业发展。     

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。     

非贵金属双活性位点碱性电催化分解水研究进展

随着化石能源的枯竭和环境污染问题的加剧,人们正在寻求新的能源以取代传统化石能源。氢能作为一种清洁、可再生能源吸引了全世界研究人员的广泛关注。通过电解水制氢是一种符合可持续发展的实用性技术,其所耗电能可由风力发电,太阳能电池等所提供。在原子层面研究与设计具有多重反应位点的新型电催化剂是提高碱性析氢反应的重要手段。本文阐述了碱性电催化析氢中非贵金属双活性位点的作用和意义。     

我国可再生能源发电制氢的发展概况

化石燃料的利用在短时间内带来重大的技术进步的同时也带来了诸多问题。选择绿色无污染的可再生能源作为化石燃料的替代品是实现"碳中和""碳达锋"目标的主要步骤。但是可再生能源的波动性和间歇性在并网时会造成电网的不稳定性,引起严重的弃光、弃风、弃水现象。电解水制氢技术被认为是脱碳制氢关键过程,同时也是实现能源转换提高能源的利用率的一种有效方式。本文对电解水制氢技术及我国可再生能源发电制氢项目的现状进行介绍,并列举了可再生能源发电制氢项目存在的问题及提出的建议。总之,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。     

水电解制氢设备评价体系现状与完善

随着发展低碳清洁氢能已成为全球共识,各国制氢技术路线均立足本地氢源潜力和未来氢能产业需求,呈现低碳氢、清洁氢到可再生氢的递次发展趋势,并重点围绕可再生能源电解水制氢技术进行项目示范和产业布局。本文主要介绍了水电解制氢设备评价体系的国内外现状以及其中存在的问题,并提出了几点建议。     

碱性电解水制氢催化剂的研究现状与进展

与可再生能源相结合的电解水制氢是绿氢生产的主要技术路线,在“双碳”目标的驱动下,这一绿色科技有望成为能源变革的核心,也是清洁能源版图中的重要一环。碱水电解制氢技术发展最为成熟、商业化程度最高,是电解水市场的重要组成部分。电解槽作为电解水技术的关键设备,其技术发展程度影响着绿氢规模化发展进程,而高效稳定的电催化剂是碱水电解槽性能提升的关键。文章综述了碱性电解水的反应原理以及近年来阴极和阳极电催化剂的研究进展,对碱性电解水技术发展面临的关键问题和解决思路进行了分析和展望。     

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。     

电解水制氢MoS2催化剂研究与氢能技术展望

氢气具有质量轻、热值高、燃烧产物清洁等优点,被认为是理想的能源载体。氢气既能作为燃料电池的燃料,又能作为储能介质调节风能、太阳能发电系统的随机性、间歇性,正在成为未来能源的重要组成部分。为了促进电解水制氢技术与装备发展,研究高效电催化剂十分重要。本文围绕“粉末型”与“自支撑型”电催化剂结构特征,讨论基于二硫化钼（MoS₂）的析氢电催化剂的研究现状,阐述了催化活性位点调控策略与提高导电性两条技术途径,并以析氢过电位和塔菲尔曲线斜率为依据,比较不同方法制备的二硫化钼电催化剂的催化活性。表明提高二硫化钼晶相稳定性、调节其电子结构和优化催化电极结构等方法,将进一步提高基于二硫化钼的析氢催化电极性能。     

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。     

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。     

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。     

非贵金属电解水催化剂改性研究进展

氢能作为理想的二次能源,具有能量密度高、清洁无污染等特点,在能源转型过程中将发挥极为重要的作用。电解水制氢被认为是获取氢能最有潜力的绿色工艺,而高效电催化剂是制约电解水制氢快速发展的关键。贵金属催化剂具有优良的电催化性能,但由于成本和储量问题严重限制其推广应用,因而开发低成本高活性的非贵金属催化剂逐渐成为研究热点。为提高非贵金属催化剂的电催化性能,需要对其进行一系列的改性优化工作。综述了近几年国内外非贵金属电解水催化剂的改性研究进展,详细介绍了几何构造（一维、二维、三维结构）和电子调控（组成优化、晶面调控、缺陷构造、杂原子掺杂等）两种非贵金属催化剂的改性方法,并对今后非贵金属电解水催化剂改性发展方向进行了展望。     

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。     

Polymer electrolyte membrane water electrolysis: status of technologies and potential applications in combination with renewable power sources

Technological improvements in polymer electrolyte membrane water electrolysers (PEMWEs) are promoted by their exciting possibilities to operate with renewable power sources. In this paper, a synopsis of the research efforts concerning with the development of electrocatalysts, polymer electrolytes and stack hardware components is presented. The most challenging problem for the development of PEMWEs is the enhancement of oxygen evolution reaction rate. At present, there are no practical alternatives to noble metal-based oxide catalysts such as IrO₂ and RuO₂. As well as carbon supported Pt nanoparticles are the benchmark cathode catalysts for hydrogen evolution. High noble metal loading on the electrodes and the use of perfluorosulfonic membranes significantly contribute to the cost of these devices. Critical areas include the design of appropriate mixed electrocatalysts and their dispersion on low cost Ti-oxide like supports to increase catalyst utilization. Moreover, the development of alternative membranes with enhanced mechanical properties for high pressure applications, proper conductivity and reduced gas cross-over is strongly required. This latter aspect is also addressed by the development of proper recombination catalysts. The development of anodic mixed non-noble transition metal oxides with spinel or perovskite structure and proper resistance to chemical degradation in the acidic environment and electrochemical corrosion is also an active area of research. Similarly, efforts are also being addressed to Pd and Ru based cathode formulations with cheaper characteristics than Pt. Whereas, concerning with stack hardware, cost reduction may be addressed by replacing Ti-based diffusion media and bipolar plates with appropriate and cost-effective stainless steel materials with enhanced resilience to chemical and electrochemical corrosion. Regarding the combination with renewable power sources, PEM electrolysers can find suitable applications for peak shaving in integrated systems grid connected or in grid independent operating conditions where hydrogen generated through electrolysis is stored and then via fuel cell converted back to electricity when needed or used to refill fuel cell-based cars. Hydrogen is the most promising clean energy carrier to accomplish the sustainable production of energy and a synergy among hydrogen, electricity and renewable energy sources is highly desired.