ZnO基光电极的构筑及其光电催化水分解性能研究进展

光电催化水分解制取氢气是最理想的制氢技术之一。光电极材料作为光电催化水分解反应系统最核心的部分,决定着太阳能到化学能的转换效率。氧化锌（ZnO）半导体因具有较低的超电势、高的电子迁移速率和价格低廉等优点,引起了广泛关注。然而,ZnO半导体的禁带较宽、电子-空穴易于复合和表面水氧化反应动力学缓慢,阻碍了其高效利用太阳能和实现理论效率。本文从ZnO的微纳结构和表界面修饰两个方面出发,综述了近年来ZnO基光电极的构筑策略及其光电催化性能的研究进展。首先阐述了ZnO的微观形貌和缺陷对光电性质的影响。然后总结了元素掺杂、量子点敏化、贵金属沉积、异质结构造和共催化剂沉积等策略对ZnO基半导体的表界面的构筑及对光电催化性能的影响。最后对未来高效ZnO基半导体光电极研究方向进行了展望,具体包括5个方面：ZnO表面改性;在原子水平构筑复合半导体催化剂的相界面;用廉价双金属或多金属纳米颗粒取代纯贵金属Au、Ag和Pt纳米颗粒;构建高效的电催化剂助剂;在ZnO半导体和助剂界面引入空穴储存层或电子堵塞层。     

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。     

银基析氧催化剂的研究进展

近年来基于阳极析氧催化的电解水制氢技术引起了广泛关注,安全、高效的阳极析氧催化剂是实现该技术的核心。银基析氧催化剂具有操作条件温和、析氧过电位低及结构易于调变的特性,是一种颇具发展前景的新型阳极析氧催化剂。本文综述了Ag基析氧催化剂的制备及其在电解水制氢方面的应用,着重介绍了Ag基析氧催化剂的两种调控改性方法,包括原位调控方法和后制备调控方法,其中原位调控方法主要有电解质溶液的匹配、电解质(浓度、酸碱度、温度)的调变和工作电极的修饰,后制备调控方法主要有金属氧化物复合、石墨烯复合和银氧化物纳米晶的调控。将原位调控和后制备调控相结合,可为制备具有较低过电势、较高催化活性的新型Ag基阳极析氧催化剂提供方法指导和为后续研究提供依据。     

镍基氨分解制氢催化剂体系助催化剂研究进展

氢能作为一种全球公认的清洁能源引起各界的广泛关注,催化氨分解反应是获得纯净氢气的重要途径之一。镍基催化剂因具有良好的经济性和催化活性,展示出潜在的工业应用前景。然而相比于贵金属催化剂钌、铱、铂,镍催化反应体系则需要更高的反应温度,增加了反应能耗。另外,高温反应条件也容易引起活性组分的烧结,导致活性降低。碱金属、碱土金属、稀土金属等助催化剂对改善镍基催化剂性能有显著的效果。结合金属镍氨分解制氢的反应机理,详细讨论了助催化剂的引入对催化剂性能提升的原因,主要表现在其改善了催化剂的酸碱性、金属分散性和颗粒大小以及稳定性等方面。最后,对镍基催化剂助催化剂的发展方向进行了合理展望,指出应从原位表征对催化剂进行研究,探索原子尺度的制备方法以实现精准调控,以及深入探究助剂的作用机理等。     

Ni-Fe基析氧阳极材料的研究进展

寻找一种高效、稳定和低成本的析氧阳极材料对于在碱性环境中电解水的研究具有非常重要的实际意义。近年来,Ni-Fe基材料以其低成本及在碱性条件下具有高催化活性的特点成为析氧反应电极材料的研究热点。本文概述了近几年国内外学者对不同的Ni-Fe基析氧材料(包括Ni-Fe合金、Ni-Fe氧化物、Ni-Fe层状双金属氢氧化物及Ni-Fe基复合材料等)在合成方法、物理形态、化学结构和催化性能等方面所进行的研究,介绍了Ni-Fe基材料的析氧反应机理的进展,探究了析氧反应活性相以及Fe的掺入对Ni基氢氧化物的结构和活性的影响,最后指出了合成方法的改进及详细反应机理的探究将会成为未来Ni-Fe基析氧阳极材料的重点研究方向。     

Co/NiCoP纳米异质结构催化剂的构建及其析氢性能

开发价格便宜、高效稳定的析氢反应(HER)电催化剂是实现电解水制氢技术工业规模化的关键问题之一。本文利用低温电化学沉积法成功地在碳布表面原位生长了Co/NiCoP异质纳米结构的自支撑催化电极,结合表征技术、以1mol/L NaOH溶液为碱性电解质的理论计算和以三电极体系电化学工作站为基础的实验测试对该材料进行了HER性能评估。结果表明,Co/NiCoP异质结构催化剂具有优异的析氢性能,在碱性介质中,获取10mA/cm²的催化电流密度所需要的过电位仅为54mV,Tafel斜率为78.5mV/dec。这主要归因于：(1)Co/NiCoP纳米催化剂在碳布表面良好的分散性增加了暴露的催化活性位点数;(2)异质结构的存在促进了Co与NiCoP之间电子的相互作用,加快了电荷转移速率并提高了材料的导电性;(3)理论计算表明,Co/NiCoP异质结构的构建能有效地降低水的解离势垒,促进水的解离,进而加快HER动力学反应过程。因此,Co/NiCoP纳米异质结构催化剂的构建丰富了非贵金属纳米材料在电解水制氢领域的应用。     

二维多孔NiCoS催化剂的制备及其电解水析氧性能

开发低成本、高活性和高稳定性的非贵金属催化剂对电解水析氧反应(OER)具有重要意义。以双金属NiCo-MOF为前驱体、硫代乙酰胺为硫原,制备出二维多孔双金属NiCoS纳米材料。采用SEM、TEM、XRD和XPS分析所合成材料的形貌、结构;利用电化学工作站研究其电解水析氧性能。结果表明调整水热硫化时间可以调控NiCoS纳米片的孔结构,其中二维多孔NiCoS-6催化剂在1.0 mol/L氢氧化钾电解质中的电解水析氧性能较好,电流密度为50 mA·cm^-2时,过电位仅为344 mV。     

光催化分解水制氢中硫化物空心结构的研究进展

利用太阳能进行的分解水制氢技术,可以促进太阳能的有效利用和清洁能源氢能的研发。在光催化制氢中,半导体光催化材料的性能是光催化反应性能提升的核心要素,制备优异、高效的光催化剂是提升光催化反应活性的关键步骤。本文从材料形貌和制备角度出发,选取金属硫化物为光催化中的主体半导体,对国内外金属硫化物空心结构的研究、应用和进展进行了回顾,分析了空心结构对增大材料比表面积、增强太阳光吸收、加速载流子分离以及提升反应活性的重要性,提出了空心结构在光催化发展中的优势,对空心结构的发展提出了展望,为这些新型材料的未来研发提供参考,从而能尽快提高光催化反应的太阳光利用率和氢气产量,有助于进一步实现光催化技术的工业化应用。     

氧化钨（WO3）薄膜光电催化性能的改善及应用

半导体WO₃具有较小的禁带宽度和良好的稳定性,对可见光具有较强的吸收,在光催化和光电催化领域具有广泛的用途。然而,单一WO₃薄膜仍然存在着光生电子-空穴复合率高、光电催化活性与能量转换效率偏低等问题。本文从WO₃薄膜光电催化性能的改善及应用两个方面对近年来的研究进行了综述。在WO₃薄膜光电催化性能的改善方面,分别从有序纳米结构的构建、离子掺杂与表面修饰进行总结。同时,也归纳总结了WO₃薄膜作为光电极在分解水制氢、光电催化还原CO₂和降解有机污染物等方面的应用,并提出了WO₃薄膜在光电催化过程中存在的问题,指出WO₃有序纳米异质结的构建是提高WO₃薄膜光电催化活性的有效方法。WO₃薄膜光电极的规模制备、廉价助催化剂的使用、光电极的稳定性与耐蚀性是其实际应用过程中需要解决的问题。     

电积用析氧阳极的研究进展

从铅阳极合金化、金属基复合阳极和其他新型阳极三方面综述了金属电沉积中析氧阳极材料的研究现状,展望了新型析氧阳极材料的发展趋势。指出新型阳极在降低电耗、推动金属电沉积行业发展方面具有重大意义。     

麻省理工学院研制成功新型水制氧催化剂

麻省理工学院的一个研究团队成功研发了一种新型水制氧催化剂。新型水制氧催化剂主要由钴、铁、氧和其他金属组成,应用于析氧反应,水制氧的速率至少是现有催化剂速率的10倍。这一新发现将对氢能的释放和存储等先进储能系统产生重要的影响。     

二维金属有机框架及其衍生物用于电催化分解水的研究进展

氢能是一种具有发展前景的可再生清洁能源,电催化分解水是产生氢气的有效途径,设计高效、经济的分解水电催化剂对促进可再生能源的发展至关重要。二维金属有机框架材料(MOFs)具有独特的二维层状结构和灵活可调的化学组成,近年来被广泛应用于电催化分解水领域。二维金属有机框架材料可进一步衍生形成氧化物、磷化物、硫化物、金属-碳复合物等材料,也表现出良好的电催化分解水性能。通过组分调节和结构调控能有效地优化二维金属有机框架及其衍生的材料的本征活性和反应动力学特性,进而提高其电催化性能。此综述介绍了二维MOFs材料及其衍生物在电催化水分解领域的最新研究进展,并展望了其未来研究方向和发展空间。     

钛基涂层氧化物析氧阳极材料的研究进展

介绍了钛基涂层氧化物析氧阳极(DSA)的制备方法,包括热分解、磁控溅射、溶胶–凝胶和电沉积等方法。分析了DSA阳极的析氧原理。指出了DSA电极存在的问题及未来的发展趋势。     

氧电极金属单原子催化剂的研究进展

燃料电池和金属-空气电池作为目前最具发展前景的能量转换和储存设备,对于缓解人类发展所面临的能源与环境问题大有裨益。然而,较差的氧电极反应,如燃料电池中的氧还原反应以及锌空电池中的氧还原及析氧反应,却限制着这两类装置的高效运行。近年来,人们提出了利用单原子催化剂(SACs)来提高氧电极反应的反应动力学。因此,针对两类氧电极反应,本综述根据构成活性位点的不同金属元素进行了分类总结,重点关注了各类催化剂的共性及进展。同时,还对具有双功能的催化剂及其在锌空电池的应用进行了总结。最后,针对SACs目前存在的问题和未来的发展方向提出了建议,旨在为单原子氧电极催化剂的设计及发展指明道路。     

CZTS光阴极性能提升研究进展

Cu₂ZnSnS₄(CZTS)禁带宽度为1.5eV,是一种较宽光响应范围P型半导体,其理论光电流密度可达25 mA·cm^-2,理论太阳能转氢能效率(STH)为32.2%,是一类重要的光电催化水分解制氢材料。然而,CZTS光阴极自身仍然存在较高的载流子复合几率和较低的表面反应速率等缺点,因此目前已报道的最高STH仅为12.6%。针对此问题,综述了近些年对CZTS的相关研究及改性方法,并对其未来发展进行展望。     

纳米级氧化物膜析氧阳极的研究

纳米级氧化物膜析氧阳极是一种新材料,它具有高的电催化活性和长的使用寿命.用溶胶凝胶法和热分解法制备了Ir-Ti二元阳极.讨论了二元阳极制备的某些影响因素,例如原材料的制取,热处理温度和铱中间层,用扫描电镜观察涂层的晶体结构和表面形貌,涂层的表面为无裂缝和纳米级,其晶粒尺寸不大于9.58 nm,并呈丘陵状.     

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。     

电催化水分解制氢阳极关键材料的研究进展

电催化水分解制氢是目前实现大规模制氢的有效手段,但是阳极电催化析氧反应因其较高的反应能垒导致电催化制氢过程中大量的能源被消耗,严重阻碍了其工业化应用,所以开发高效的析氧电催化剂对制氢工业的推进有着重要的意义。对近年来过渡金属磷化物、硫化物以及硒化物在电催化析氧反应中的研究进行了综述,最后对非贵金属析氧电催化剂的研究趋势进行了展望。     

富氧空位Co3O4纳米线的制备及其电解水性能研究

在室温下利用NaBH₄溶液还原Co₃O₄纳米线获得富含氧空位（V_O）的三维自支撑纳米线阵列用作全水解电催化剂,其中NaBH₄处理10 min的Co₃O₄/NF在碱性介质中对析氧反应（OER）和析氢反应（HER）表现出很高的活性,在10 mA·cm^-2电流密度下分别仅需240和132 mV的过电位。V_O-Co₃O₄/NF同时作为阴极和阳极电催化剂时,在10 mA·cm^-2下电解水槽电压仅为1.63 V,其耐久性可达60 h以上。该工作为富含氧空位结构的过渡金属氧化物双功能电催化剂的制备提供了新的方法和思路。