面向低成本纯水电解制氢技术的单原子化金属复合物析氢催化剂研究进展

纯水电解制氢技术是合理利用可再生能源实现电能-氢能相互转化的一个有效途径，对于实现中国的能源结构转型和“双碳”战略有着重要作用。纯水电解制氢的主要实施方式是采用酸性质子交换膜的电解槽，但是其催化剂中所需的大量贵金属组分导致了高昂的制造成本，严重限制了其未来的发展。单原子化金属复合物催化剂的研发与应用是有效降低催化剂中贵金属用量的一个重要策略，开发适应酸性环境、高反应活性、稳定可靠的贵金属甚至非贵金属体系单原子催化剂（SACs）成为研究和产业化的共同热点。本文在介绍单原子催化体系的研发历程和在酸性析氢反应（HER）过程中应用现状的基础上，分为贵金属体系和非贵金属体系两大类分别进行综述，具体阐述了单原子复合催化剂的制备方法、组分结构、电化学性能以及构效关系，最后对面向更低成本的单原子化析氢催化剂的发展前景和应用推广趋势进行了总结和展望。     

非金属掺杂对降低电解水制氢能耗的机理研究

理想的高效析氢电极材料应具有析氢过电位低、电催化活性高、导电性好、电化学稳定性好以及抗腐蚀性强等特点。铂族类金属被认为是目前最好的电催化剂,他们能够在非常接近热力学反应电动势的电压下实现析氢反应。但其稀缺性和昂贵的成本严重制约了它们的商业应用。因此,对于由高丰度元素组成的电催化剂的设计与制备成为当前析氢反应的研究热点。增加催化剂材料的活性位点数目和提高材料本身的导电性是优化金属硫属化合物电催化剂材料析氢性能拟解决的关键问题。     

异原子配位结构碳基单原子电催化剂结构与性能相关性的研究进展

单原子催化剂（SACs）由于其原子利用率高、活性中心明确、比活性高和稳定性强等优点,在催化电解水领域具有独特的优势. 然而,材料中的金属−载体相互作用对催化过程具有重大影响. 首先,本文明确了单原子催化剂的特点并研究了其电子结构和构效关系方面独特优势. 其次综述了氧化物载体在稳定金属单原子、分散活性物种、调节中心电子结构、吸附和活化反应物等方面的重要作用;并详细分析了载体如何通过结构缺陷、表面基团、空间限域和晶格作用等实现对金属原子的负载和稳定. 然后,通过实例对比了单原子在不同氧化物载体上配位结合方式,以及在析氢、析氧和全水解反应中的性能差异. 最后,对利用载体与单原子相互作用调节催化剂性能的机遇和挑战、关键问题和可能的解决方案进行了展望.

     

无定形MoOx/C复合材料的制备与电催化析氢性能

钼基氧化物是典型的过渡金属氧化物,具有特殊的能带结构,是一种极具潜力的非贵金属电解水析氢催化材料。本研究利用溶液燃烧合成技术,以四水钼酸铵为钼源,葡萄糖为碳源,合成了无定形结构的MoO_x/C复合材料,研究了葡萄糖添加量对产物相态和显微结构的影响,评价了MoO_x/C的电催化析氢性能。研究表明,随葡萄糖添加量的增加,MoO_x的相态与形貌从粗大颗粒→细小颗粒和部分无定形态→完全无定形结构进行演变。当葡萄糖与钼源的摩尔比值为2.5时,可合成无定形结构的MoO_x/C复合材料,将其作为析氢催化剂,在0.5 mol/L H2SO4条件下的起始电位为132 mV,过电位(η10)为212 mV,塔菲尔斜率为84.9 mV/dec,具有良好的析氢催化性能和优异的循环使用稳定性,这归因于无定形结构提供了丰富的催化活性位点以及碳的引入提高了导电性和结构稳定性。     

主族元素在过渡金属基电解水催化剂中的应用研究进展

H₂是一种理想的清洁可再生能源。可持续制氢是实现未来氢经济的重要前提。电催化作为水裂解制氢的重要方法，在过去几十年里一直是人们广泛研究的课题。催化剂是实现这一能源转换反应的重要媒介。现阶段主要的电解水制氢催化剂材料是过渡金属，特别是贵金属。它们作为电催化剂的主体，提供了催化反应的活性中心，确保了电化学反应的高效稳定进行。为了进一步提升这些过渡金属的活性和稳定性，同时降低由于它们稀缺储量导致的昂贵成本，近期的许多研究也将催化剂的材料选择拓展至过渡金属以外的其他元素。尽管这些非过渡金属材料在大部分情况下并不是催化活性中心，但是它们能够显著调节催化剂性能。本文总结了几种不同类型的主族元素在催化剂设计和制备中的应用，并且深入讨论了这些催化剂中主族元素促进电解水过程的作用机制，重点阐述了主族元素对过渡金属基电催化剂电子结构和相稳定性的影响，以及与催化活性之间的关系。目前对于非过渡金属电催化剂的设计和催化机制方面的研究仍然处于发展阶段，亟需更多的表征手段深入研究，因此利用瞬态光电压测试系统，展示了一种测试电催化中界面电子转移过程的新方法。最后，提出了非过渡金属元素应用在电催化...     

单原子电催化析氢催化剂的研究进展

随着全球能源短缺和环境污染问题的不断加剧，具有热值高和环境友好等优点的氢能源已成为最具发展潜力的能源之一。作为一种绿色、可持续的制氢方法，电催化析氢反应（HER）受到了广泛关注。当前，无论是HER的基础研究，还是应用研究，催化剂始终是核心问题。单原子催化剂（Single Atom Catalysts, SACs）由于其最大的原子利用效率以及独特的结构和性能，在HER过程中表现出优异的催化活性及稳定性。本文首先对近年来用于HER的SACs的合成方法进行了综述，包括热解、沉积、液相合成和刻蚀等制备方法；其次，对各种用于探索SACs与HER的结构—催化关系的物理化学性能表征及密度泛函计算方法进行了总结。最后，对用于HER的SACs存在的不足进行了分析总结，以期为设计和制备廉价有效地用于HER的SACs提供有价值的理论借鉴，提高其实际应用价值。      

电解水制氢电极材料研究获新进展

<正>近日,中国科学技术大学科研人员发展了一步法合成技术,成功实现了二硒化钴和二硫化钼材料的"化学嫁接",研制了析氢性能接近贵金属铂的水还原高效复合催化剂。氢气在风能、太阳能等可再生能源发展中起着重要作用,水是氢气的重要来源。因此电解水制氢是可持续发展的必由之路。然而在将水电解制氢的过程中,为了提升反应速率、减少电能损失,需要使用贵金属铂、氧化     

石墨烯限域非贵金属单原子催化剂研究进展

石墨烯负载的非贵金属单原子催化剂有着特殊的晶格结构和物理化学性质，在多种化学反应中也具有优越的活性和选择性，以石墨烯作为催化剂载体时，单原子催化剂的整体性能得到显著提升，目前研究和开发高性能廉价的石墨烯限域非贵金属单原子催化剂是催化领域深入的关键。文章综述了近年来石墨烯限域非贵金属单原子催化剂的制备工艺、表征方法和应用方向。还介绍了其在CO₂氧化、析氢反应等催化反应中的应用。最后对石墨烯限域非贵金属单原子催化剂未来的发展方向进行了展望。     

稀土铈在电催化水分解中的应用研究进展

氢气(H₂)热值高、无污染，可以有效缓解日益严重的能源和环境危机；高效的电解水催化材料可以极大地降低水分解成氢气和氧气的过电位，提升水的分解效率。稀土元素铈(Ce)具有较强的氧化还原能力，将Ce引入电解水催化材料中可大幅提高电催化材料的催化效率，目前该类材料已经得到了国内外学者的广泛关注。文中主要介绍了Ce在纳米颗粒修饰、骨架、氢氧化物以及金属有机框架等方面构筑电催化材料，归纳了国内外含Ce催化材料在析氢反应与析氧反应中电催化性能和机理的研究进展，针对Ce或其他稀土元素在电催化材料中的应用进行了展望。      

电沉积法制备自支撑Ni-Sn-B电极的显微结构与电催化析氢性能

为开发高效稳定的析氢电催化剂,采用恒电流电沉积法在镍网基底上制备自支撑的Ni-Sn-B析氢电极,通过扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪和电化学工作站等对电极的形貌结构、元素组成与电催化析氢性能进行表征和测试。结果表明,Ni-Sn-B电极表面由粗糙的胞状颗粒紧密堆积而成,具有非晶态特征结构。在碱性电解质中,Ni-Sn-B电极表现出优异的催化析氢活性和稳定性,在10m A/cm²电流密度下过电位仅为63 mV,比Ni-Sn和Ni-B电极的过电位分别降低38.2%和59.1%。电极的电荷转移电阻为1.56Ω,经过5 000次CV循环和72 h电解后,仍保持非常高的析氢活性。粗糙的表面形貌及非晶态结构使电极的电化学活性表面积和催化活性位点显著增加,同时B和Sn对Ni电子结构的调控,可有效降低电荷转移阻力,从而提升电极的电催化析氢性能。     

钒酸钴纳米片的析氧性能研究

析氧反应(OER)是电解水制氢过程中的决速步，因此构建高效、低成本的非贵金属基OER电催化剂是实现氢能源高效制取的关键。通过两步水热法将Co元素引入到V₂O₅中，从而制备出了钒酸钴(Co₃V₂O₈)纳米片结构，Co元素的引入使纳米片暴露更多的活性位点，并提高导电性加快了电荷传输，因而可提高其 OER性能。形貌和成分表征结果显示所制备的催化剂为正交晶系的 Co₃V₂O₈纳米片结构。对该催化剂进行系统的 OER 性能研究，结果表明，Co₃V₂O₈催化剂产生 10 mA·cm^-2的析氧电流密度需要 364 mV的过电位，产生 100 mA·cm^-2的析氧电流需要过电位仅为 540 mV，对应的 Tafel斜率为 62 mV·dec^-1，此外，在经历 1000次循环测试后，该催化剂极化曲线不...     

铜基电极的改性及其在电解水制氢催化中的研究进展

金属铜（Cu）因电子电导率高、价格低廉和环境友好等优点,成为能源存储与转换领域的关键材料之一。然而,Cu因自身催化活性低和表面易腐蚀/氧化等,限制了其在电解水制氢领域的实际应用。通过对Cu进行改性,可优化电极表面对反应中间体的吸附和界面稳定性,显著提升催化性能。本文简要介绍了目前Cu基电极存在的问题,重点阐述了Cu基电极在单原子结构设计、 Cu基复合材料、 Cu合金化以及杂原子掺杂四方面的改性研究进展,并对析氢催化机理进行深入分析。结果表明,通过对Cu进行改性可以激活Cu位点、暴露更多活性面积和稳定界面,显著提高Cu基电极的催化活性和催化稳定性。未来,Cu催化电极的研究应注重更有效的材料改性方法,以便进一步提高其在催化反应中的应用价值。     

电解水制氢技术及大电流析氧反应研究与展望

当今时代对可持续能源的迫切需求推动了可再生能源技术的不断改进,其中氢能因其清洁环保且能量密度高而受到了科研人员广泛关注.电解水制氢作为一种绿色环保的制氢方式,其阳极析氧反应（OER）的高能耗限制了电解水制氢技术的广泛应用.近年来,高性能的OER催化剂的研究得到了长足发展,但催化剂的测试范围小,且很少能够连续工作数百小时,远远不能满足实际应用的需求.为了更好的适用于工业应用,OER催化剂需要满足更苛刻的测试环境,如在低过电位下提供大电流密度、在强气体排放过程中维持稳定性和耐久性,因此开发在大电流密度下的高活性OER催化剂是当前工作的重中之重.结合大电流OER催化剂的研究进展,本文首先提出氢能是目前最有前途的能源之一,并调研了大电流密度下电催化剂的研究现状.其次通过对OER机理进行分析,发现采取元素掺杂、界面工程、缺陷工程和形貌工程等措施可以提升催化剂在大电流密度下的活性.最后,对大电流析氧领域在工业发展中现阶段存在的挑战及未来发展方向进行了展望.     

氢冶金还原性气体的制备研究进展

氢冶金是一种绿色低碳的冶炼工艺，是实现钢铁行业转型升级和改变高碳排放形象的有效途径。氢冶金是通过纯氢气或富氢气体替代传统焦炭直接还原铁，可实现CO₂减排。富氢还原性气体的制备是实现氢冶金的关键之一。对比分析了适合于氢冶金的规模化焦炉煤气制氢、天然气制氢、煤制氢和氨分解制氢技术的工艺及相关催化剂，探讨了包括电解水制氢在内的可再生能源制氢的途径。氢冶金技术需要的制氢技术日趋成熟，氢冶金也将成为未来钢铁行业升级改造的重点。     

电沉积Ni-S-Zr合金电极析氢电催化性能的研究

用电沉积方法制备了Ni-S-Zr合金电极，用扫描电镜观察电极的表面形貌，通过阴极极化曲线及交流阻抗等电化学技术研究其析氢催化性能。结果表明：在80℃碱性溶液中的Ni-S-Zr的析氢催化性能较好，与Ni，Ni-S电极相比具有较高的表观交换电流密度、较小的反应电阻及较大的表面粗糙度。说明向Ni-S中引入Zr离子所形成的三元合金镀层，具有较高的析氢催化活性和良好的电化学稳定性。     

可充放锌空电池用过渡金属氧化物双功能催化剂研究进展

近年来,可充放锌-空气二次电池因其高理论比能密度、高安全性、环境友好、低成本等优点,引起了广泛的关注,被认为是未来电网和电动汽车供电的可行选择之一. 锌空电池中,氧还原反应和析氧反应催化剂的活性和稳定性对电池的能量密度、功率密度和寿命有重要影响,因此,开发高效、稳定的氧还原/析氧反应双功能催化剂已经成为一个重要研究方向. 本文介绍了不同种类过渡金属氧化物催化剂的活性来源及其在锌空电池能量密度、充/放电电压、循环寿命等方面的表现,总结了当下研究现状中提高催化性能的策略和方法.     

MXene/磷化钴复合材料电催化制氢性能研究

针对传统电催化剂材料导电性差、活性位点易堵塞等问题,采用高导电性和优异亲水性的二维碳化钛钒(MXene)作为催化剂负载基底,在此基础上与具有高比表面积的金属有机框架衍生的磷化钴结合制备电解水制氢阴极材料。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、密度泛函理论计算(DFT)和电化学测试等手段,研究了复合电极材料的晶体结构、表面形貌特征、活性位点电子结构和电化学特性。结果表明,有机配体中的碳氮元素能有效调节电极材料中活性位点的电子结构,从而改善吸脱附动力学条件;二维MXene进一步降低了电极材料电荷转移电阻,所制备的催化剂在10 mA/cm²电流密度时仅需要114 mV的过电位,且长时间工作后依然保持稳定。研究结果为制备高性能非贵金属析氢催化剂提供了参考和思路。     

富氢条件下一氧化碳选择性氧化催化剂

本发明提供一种用于富氢条件下一氧化碳选择性氧化催化剂，使用较少量的贵金属，获得更高的低温一氧化碳的氧化活性和选择性。该催化剂由担载在多孔性无机物载体上的贵金属组分和其他金属组分构成。其特征在于，前述贵金属组分可以是下列的贵金属群中至少一种，前述其他金属组分可以是下列的其他金属群中至少一种。贵金属群：铂、钌、金、铑、钯；其他金属群：铁、钛、锆、钡、锡、钨、锌、钼、铈、镧。本发明的催化剂贵金属含量低，并可有效应用于一氧化碳在富氢气氛下的选择性氧化。本发明的催化剂的活性起始温度低，使用温度范围宽，可在80-180℃间有效工作。本发明的催化剂在有效工作温度区间内氧的选择性可高达80％-90％，即在有效去除一氧化碳的同时，氢气的消耗极少。     

电沉积Co-Ni-W合金电极在碱性溶液中的析氢电催化活性

用电沉积的方法制备了Co Ni W合金电极。用稳态极化曲线法和交流阻抗技术研究了其在 7mol·L- 1 NaOH溶液中的析氢电催化活性。结果表明 :在碱性条件下 ,Co Ni W合金电极比Ni Co ,Ni W合金电极具有更低的析氢过电位 ,其析氢的表观活化能为 44 .2kJ·mol- 1 ,具有较高的析氢催化活性 ,是一种有工业应用前景的的析氢电催化活性电极。     

碳化钼催化剂的研究进展

过渡金属碳化物对于烃类加氢、氢解和异构化反应与贵金属有相似的表面性质和吸附特性,被称为＂类铂催化剂＂。因此,碳化物尤其是碳化钼,作为一类新型催化材料已引起研究者的广泛关注。制备碳化钼催化材料的方法有程序升温还原法、气相法等,碳化钼催化材料的应用主要在加氢精制,异构化反应,烃类转化与合成反应等,随着石油化工和煤炭能源的高效利用需求,碳化钼作为高性价比的催化材料必然会在更多方面得到应用。