1 兵器工业卫生研究所，西安 710065
2 西安石油大学电子工程学院，陕西 710065
3 延安大学化学与化工学院，延安 716099
面对化石能源危机问题，清洁高效的氢能源受到人们的广泛关注，电解水制氢成为新的研究热点。本文主要围绕铂/铜合金催化剂的合成、表征及其电解水析氢催化应用展开研究。采用溶剂热法合成铂/铜合金，通过XRD、SEM、TEM、EDS、XPS等表征铂/铜合金的组成结构和微观形貌，对铂/铜合金的构效关系进行探索。利用电化学测试系统测得铂/铜合金不同条件下的析氢催化性能。在0.5 mol/L H2SO4中，铂/铜合金的起始过电位为20.3 mV(10 mA·cm-2时)，塔菲尔斜率为37.56 mV·dec-1；在1 mol/L 磷酸缓冲盐溶液(PBS)中，铂/铜合金的起始过电位为35.0 mV(10 mA·cm-2时)，塔菲尔斜率为52.12 mV·dec-1；在1 mol/L KOH中，铂/铜合金的起始过电位为25.3 mV(10 mA·cm-2时)，塔菲尔斜率为36.82 mV·dec-1。对比发现，铂/铜合金在酸性电解质中展现出更为优异的催化性能。而且，进一步实验表明铂/铜合金催化剂在酸性电解质中具有高的电催化活性面积(30.83 cm2)和良好的循环稳定性。
催化剂 铂/铜合金 溶剂热法 电解水 析氢反应 catalyst Pt/Cu alloy solvothermal method water electrolysis hydrogen evolution reaction
1 先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室)，广东 佛山，528200
2 武汉理工大学，材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070
随着国民经济的高速发展及能源消费的快速提升，能源匮乏和环境污染问题日益严重，人们越来越渴望使用环境友好而又可再生的能源。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，可作为电能、热能的有益补充，形成多元互补融合的现代能源供应体系。但中国氢能技术起步较晚，氢电能量转化中的电解水制氢和氢燃料电池部分关键材料长期依赖进口，亟需完成国产化替代。无机非金属材料具有高化学/电化学稳定性、高强度、耐高温等特性。本文综述了其在氢电能量转化器件中催化剂及载体、离子交换膜、扩散层、双极板等领域的研究进展及亮点，指出了氢电能量转化材料发展中存在的问题，并对未来研究方向做出了展望。
氢电能量转化 电解水制氢 燃料电池 hydrogen-electricity energy conversion water electrolysis fuel cells
1 厦门大学能源学院, 福建 厦门 363102
2 福建省能源材料科学与技术创新实验室(IKKEM), 福建 厦门 361005
固体氧化物电解池能够利用可再生电能将CO2转化为CO等储存, 但其阴极材料仍面临活性位易烧结和积碳等问题。通过原位析出策略在A位缺陷钙钛矿阴极材料La0.4Ca0.4Ti0.94Ni0.06O3-δ表面构筑金属Ni纳米颗粒, 并优化不同的合成手段(掺杂、浸渍、混合)引入CeO2, 构筑了“氧化铈-金属-钙钛矿”三相复合阴极。结果表明: 机械混合CeO2对阴极的抗积碳性能与电化学性能的提升最为显著: 在800 ℃, 70% (体积分数) CO2/30% CO, 1.4 V电解电压下, 电流密度提高3倍, 衰减速率降低58%, 该改性结果与其表面氧空位浓度增加及CO2吸附强化有关。
固体氧化物电解池 二氧化碳转化 原位析出 钙钛矿阴极 二氧化铈修饰 抗积碳 solid oxide electrolysis cell conversion of carbon dioxide in-situ exsolution perovskite cathode modification of cerium oxide carbon deposition resistance
以硅、锗为代表的半导体材料在集成电路芯片、微机电系统等领域得到了广泛应用。针对该类材料硬脆性强、传统加工工艺难以加工的不足，提出了一种激光电化学复合加工方法，利用皮秒激光辐照定域以提高单晶锗的电导率，实现了激光热力效应与电化学阳极溶解的自耦合协同加工。阐述了该加工方法的理论依据，设计了背向光控电解试验，进行了机理验证，分析了光控电解所得的凹坑结构的形貌特征，讨论了偏置距离对其的影响规律。在此基础上，将激光热力效应与电化学阳极溶解耦合于单晶锗上表面，开展了激光电解自耦合协同微切槽试验，分析了微槽加工表面的特点，讨论了加工电压对微沟槽尺寸的影响规律。
激光技术 自耦合协同加工 激光电解 单晶锗 表面形貌 中国激光
2022, 49(22): 2202019
中南大学化学化工学院, 湖南省锰资源高效清洁利用重点实验室, 长沙 410083
固体氧化物电解池可以清洁、高效地将电能和热能转化为化学能, 在新能源领域具有广阔的应用前景。La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ(LSCM)具有较好的高温稳定性, 但离子电导率相对较低, 在电解过程中电催化性能不足。本文将LSCM与具有较高离子导电性的Ce0.8Gd0.2O2-δ(GDC)复配构造复合电极, 并以共负载的形式在复合电极中浸渍纳米Ni、Cu金属催化剂提高电极的水蒸气吸附和转化能力,Ni、Cu共负载能够同时保留单一Ni或Cu负载对电极电解机制的改善。结果表明, Ni、Cu共负载相比于单一Ni或Cu负载电极在还原性气氛下具有更高的电化学性能, 在还原性气氛和800 ℃工作温度下, 镍铜质量比2∶8的负载电极在-0.1 V过电位下的电流密度可达到2.36 A·cm-2, 极化阻抗为0.92 Ω·cm2。
固体氧化物电解池 阴极材料 LSCM-GDC复合电极 离子电导率 电化学性能 高温水蒸气电解 浸渍法 solid oxide electrolysis cell cathode material LSCM LSCM LSCM-GDC composite electrode ionic conductivity electrochemical performance high temperature steam electrolysis impregnation method
1 太原工业学院材料工程系, 太原 030013
2 山西大学分子科学研究所, 山西省能源转换与存储重点实验室, 太原 237016
近年来化石燃料大量消耗导致环境污染日益严重, 固体氧化物电解池(SOEC)能够高效、环境友好地将CO2转化为CO等高附加值化学品, 因此受到广泛关注。开发高效稳定的SOEC需要采用性能优异的电极材料, La0.7Sr0.3Cr0.5Fe0.5O3-δ(Sto-LSCrF)钙钛矿氧化物因其优异的氧化还原稳定性受到了高度重视。为进一步提高Sto-LSCrF燃料电极材料电解CO2的能力, 在Sto-LSCrF的A位掺杂Ce来调控Ce0.08La0.62Sr0.3Cr0.5Fe0.5O3-δ(Ce-LSCrF)中可移动氧空穴含量以便提高其对CO2的吸附/活化能力, 进而改善其电化学性能。同时对材料的相结构、氧空穴含量以及其对CO2的吸附/脱附能力进行详细的表征和分析。此外, 我们还探究了Ce-LSCrF的电化学性能, 发现与Sto-LSCrF相比, Ce-LSCrF燃料电极表现出较高的电解性能, 也显示出较好的恒压稳定性, 电解性能的增强归因于Ce-LSCrF晶格中较多的可移动氧空位可有效吸附/活化CO2, 以上试验结果表明Ce-LSCrF是性能优异的CO2电解材料。
固体氧化物电解池 钙钛矿 电解CO2 氧空穴 燃料电极 Ce掺杂 solid oxide electrolysis cell perovskite oxide electrolysis of CO2 oxygen vacancy fuel electrode Ce-doping
固态氧化物电解池(SOECs)因较高的能量转化效率在电化学还原CO2, 实现“碳中和”社会方面备受关注。与非对称电池结构相比, 对称SOECs的空气极和燃料极是相同或相近的材料, 可以减少界面种类, 改善电极与电解质的热膨胀匹配性, 简化电池的制备工艺。本研究合成了钙钛矿氧化物LaxSr2-xFe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ (LxSFNM, x=0.1、0.2、0.3、0.4), 作为固体氧化物电解池的对称电极用于评估纯CO2的电化学还原性能。掺入La3+可以有效提高反应催化活性, 其中L0.3SFNM为电极的电解池表现出最高的电化学性能, 800 ℃下, 在空气中的极化电阻为0.07 Ω?cm2, 在50% CO-50% CO2中的极化电阻为0.62 Ω?cm2。单电池L0.3SFNM@LSGM|LSGM|L0.3SFNM@LSGM在800 ℃和1.5 V电压下的电解电流密度为1.17 A?cm-2, 在初始的50 h CO2短期电解测试中表现出优异的稳定性, 是一种理想的对称电极材料。
对称固体氧化物电解池 钙钛矿结构 电极材料 symmetrical solid oxide electrolysis cells perovskite electrode materials
1 西安航空学院 材料工程学院, 西安 710077
2 商洛学院 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛 726000
以镍网(NM, Nickel Mesh)为基体、NaH2PO2·H2O为磷源、CuSO4·5H2O为铜源、NiSO4·6H2O为镍源, 采用一步水热法合成镍铜磷复合电催化剂, 对制备工艺进行优化, 并通过不同方法进行形貌、结构、组成和电催化性能表征。结果表明：当溶液中镍、铜、磷的配比为8: 1 :20时, 在140 ℃水热合成24 h, 制得主晶相为Ni2P和Cu3P、具有三级微纳结构的镍铜磷复合电催化剂。在电流密度为10 mA·cm -2时, NiCuP/NM的催化析氢及肼氧化过电势分别为165和49 mV; 在双电极体系中, 同电流密度下的分解槽压仅为0.750 V, 催化24 h后分解槽压几乎保持不变, 展现出优异的催化稳定性。无论三电极体系还是双电极体系均表现出优异的催化活性。分析认为, 电催化活性面积为空白镍网的近14倍, 为电催化过程提供了大量的活性位点; 掺入P改变了Ni、Cu原子的电子结构, 提高了材料的本征肼氧化活性, 两者的协同作用促进了电催化活性的提升。本研究为纳米尺度的合成提供了一个新的视角, 有望推动新型纳米孔结构材料在燃料电池和传感器应用中的发展。
镍铜复合磷化物 混合水电解 析氢反应 肼氧化反应 nickel copper-based phosphides hybrid water electrolysis hydrogen evolution reaction hydrazine oxidation
1 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室, 北京 100083
2 国家铝镁电解装备工程技术研究中心, 贵州 贵阳 550081
3 中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110016
为推广LIBS技术在电解铝行业中的应用, 充分发挥其快速、 免制样、 多元素同时检测的优势。 利用激光诱导击穿光谱技术首次对铝电解生产得到的普铝中Fe和Si元素进行测试研究, 探索了合理的实验参数条件, 在合理的实验条件基础上建立定标曲线并对普铝中Fe和Si元素进行定量分析, 结合国标GB/T 7999—2015《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》考察LIBS测试结果的准确性。 以Nd∶YAG脉冲激光器基频1 064 nm激光作为光源激发等离子体, 采用多通道光栅光谱仪和ICCD检测器检测、 记录光谱信息。 首先探测了LIBS光谱谱线, 并对谱线进行了归属; 综合分析, 选取AlⅠ 266.04 nm, SiⅠ 288.15 nm与FeⅠ 259.92 nm作为分析谱线用于定量分析研究。 分别研究了触发延迟时间、 1Q延迟时间、 激光器设定电压对光谱信号强度及信噪比SNR的影响。 实验结果表明, 触发延迟时间4 μs、 1Q延迟时间170～190 μs、 激光器设定电压560 V对于Si与Fe元素定量测试分析而言是较为合理的实验参数。 根据谱线强度与元素浓度的关系, 采用内标法建立了定标曲线, Si与Fe元素定标曲线中相关系数分别为0.919 72与0.952 11, 其相对标准偏差（RSD）分别为7.25%与6.34%, 说明谱线强度与元素浓度具有良好的线性关系, 并基于此模型对12个样品进行了定量测试分析。 将测试结果与光电直读发射光谱测得的结果进行比对, 结果表明, Fe含量的相对误差绝对值在0~17.3%之间, Si含量相对误差绝对值在0~14.3%之间。 依照国标GB/T 7999—2015《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》中规定的实验室之间分析结果相对误差≤17%的规定, 12个测试样品中, 试样Si含量测试100%符合允许差要求, 试样Fe含量测试91.7%符合允许差要求。 该实验结果表明, LIBS技术在电解铝普铝Fe和Si元素检测中具有一定的推广利用价值。Spectroscopy Technique
激光诱导击穿光谱 铝电解 普铝 Fe和Si元素 定量分析 Laser induced breakdown spectroscopy Aluminium electrolysis General aluminium Fe and Si elements Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(4): 1267
