1 西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 710048
2 西安交通大学材料科学与工程学院，金属材料强度国家重点实验室，西安 710049
固体氧化物电解池(SOEC)在本质上是固体氧化物燃料电池(SOFC)的逆向模式，通过电化学过程在电极侧实现氢气/碳氢燃料气体的析出，具有简单、灵活、低能耗等显著优势，能量转换效率高达85%~95%。作为目前极有望实现大规模高效制氢的先进电化学能量转化装置，SOEC稳定性和寿命的提升，对实现中国能源结构调整、推进“双碳”目标进程具有重要意义。本文针对燃料电极、固态电解质、氧电极3大关键部件的材料选择、服役性能等研究现状展开了系统讨论，分别对其电流密度、电压衰减率、阻抗、电导率及产氢速率等性能参数进行了详细归纳。在此基础上，提出了SOEC技术在未来电解海水制氢中的应用潜力，并就复合电极等关键部件材料的发展进行了展望。
固体氧化物电解池 制氢 燃料电极 电解质 氧电极 solid oxide electrolytic cell hydrogen production fuel electrode electrolyte oxygen electrode
1 中国计量大学材料与化学学院，杭州 300018
2 河北民族师范学院，承德 067000
3 中国计量大学光学与电子科技学院，杭州 300018
近年来，通过光伏辅助电催化(PV-EC)分解水制备“绿氢”成为实现碳中和目标的关键。然而，普通电解水催化剂不能满足PV-EC系统中较高的太阳能到氢能(STH)转换效率的需求。因此，获取价格低廉、低反应过电势的电催化剂材料极为重要。本文选取具有高价态的过渡金属W作为掺杂源，采用一步电沉积方法制备出NiFeW三元金属磷化物。通过一系列的表征发现，NiFeW磷化物电催化剂表现出优异的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)活性，且作为双功能电催化剂时，在10 mA/cm2电流密度下W掺杂后样品的过电势降低了51 mV。使用NiFeW磷化物作为双功能电催化剂和太阳能电池(a-Si∶H/a-SiGe∶H/a-SiGe∶H)作为驱动源，PV-EC器件实现了超过7%的理论STH转换效率，对推动太阳能分解水制氢装置的实际应用具有重要意义。
电解水制氢 双功能电催化剂 光伏辅助电催化 太阳能电池 过渡金属磷化物 掺杂 electrocatalytic water splitting for hydrogen evol bifunctional electrocatalyst PV-EC solar cell transition metal phosphide doping
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 中国计量大学材料与化学学院, 杭州 300018
2 河北民族师范学院, 承德 067000
近年来, 二维磷烯(2D BP)因其较短的电荷传输距离、高载流子迁移率和充分暴露的表面活性位点, 成为电催化剂的理想材料。然而, 不适合的含氧中间体吸附能使其反应动力学迟缓, 进而限制了其实际应用。本文通过引入颗粒状的非晶Ni2P化合物, 构建Ni2P@BP异质结, 在改善反应活性的基础上, 提高其电化学稳定性。研究结果表明: 相较于纯BP和Ni2P电催化剂, Ni2P@BP催化剂展现出优异的析氢(HER)和析氧(OER)催化活性, 在10 mA/cm2电流密度下的过电势分别为167和186 mV。Ni2P@BP作为双功能电催化剂, 仅需1.54 V的外加偏压(Vapp)就可以实现10 mA/cm2的电流密度。将其与a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H三结叠层太阳电池连接, 实现了超过7%的太阳能制氢(STH)转换效率, 相较于作为双功能电催化剂的纯BP提高了95%。
电催化剂 二维磷烯 太阳能制氢 太阳能电池 全分解水 electrocatalyst 2D phosphorene Ni2P Ni2P solar to hydrogen solar cell overall water splitting
周国伟 1,2,3,*刘德法 1,2,3李华鹏 1,2,3白硕杰 1,2,3孙彬 1,2,3
1 齐鲁工业大学(山东省科学院)化学与化工学院, 济南 250353
2 山东省高校轻工精细化学品重点实验室, 济南 250353
3 济南市多尺度功能材料工程实验室, 济南 250353
MXene作为一种新型的二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物, 具有良好的金属导电性、较高的载流子迁移率和表面端基可调控能带结构等特性, 适合在光催化材料体系中作为助催化剂来提高光催化性能。本综述概述了零维、一维、二维和三维半导体光催化材料与MXene复合材料的可控构筑及其在污染物脱除、制氢、CO2还原和固氮等光催化领域的最新研究进展, 重点介绍了二维MXene基复合光催化材料的构筑方法及其光催化性能增强机制, 并对其未来的研究方向进行了展望。
二维材料 光催化 污染物脱除 制氢 二氧化碳还原 固氮 two-dimensional material photocatalysis pollutant removal hydrogen production carbon dioxide reduction nitrogen fixation
1 江苏大学材料与工程学院, 江苏 镇江 212013
2 青岛大学环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100
构建较强氧化还原能力与较高电荷转移效率的阶梯型(S型)异质结光催化剂是提高光催化性能的有效策略。通过溶剂热法在棒状苝酰亚胺(PDI)表面原位生长了ZnIn2S4纳米片, 得益于良好的界面接触与匹配的能带结构, PDI/ZnIn2S4异质结展现出优异的光催化性能。此外, 在同步光催化产氢与苯甲醇氧化全反应体系中, 5% PDI/ZnIn2S4光催化剂表现出较高的产氢性能[21.66 mmol/(g?h)]与苯甲醛产率[1.02 mmol/(g?h)]分别是纯ZnIn2S4的2.12倍和3.00倍。基于X射线光电子能谱、瞬态光致发光光谱和电子顺磁共振信号等分析, 证实了PDI与ZnIn2S4之间内建电场的形成与S型电子转移路径。该电荷转移机制保留了复合催化剂较高的氧化还原电位, 促进了界面电荷分离与转移, 进而提升了光催化性能。该有机-无机S型异质结光催化剂的设计应用为新型双功能催化剂的开发提供了新思路。
异质结 苝酰亚胺 光催化制氢 苯甲醇氧化 scheme perylenimide H2 production benzyl alcohol oxidation
1 1. 长春工业大学 材料科学与工程学院, 先进结构材料教育部重点实验室, 长春 130012
2 2. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
甲酸(FA)因具有储氢量高、易加注等优点而成为极具应用前景的新型储氢材料, 寻求高效率催化剂对于解决甲酸制氢反应动力学缓慢的问题尤为重要。本工作以聚乙烯亚胺修饰石墨烯(PEI-rGO)作为催化剂衬底, 通过湿化学法制备PEI-rGO担载型AuPd纳米复合材料(Au0.3Pd0.7/PEI-rGO)。Au0.3Pd0.7/PEI-rGO催化剂在催化FA制氢的反应中表现出极其优异的活性, 在无添加剂辅助下的转化频率(TOF)为2357.5 molH2∙ molcatalyst-1∙h -1, 高于大多数相同反应条件下的异相催化剂。这归因于PEI-rGO衬底与AuPd纳米颗粒之间的强相互作用对金属活性组分的尺寸、分散度和电子结构的调控。此外, 循环测试结果表明该催化剂的稳定性良好。
功能化石墨烯 纳米金属催化剂 甲酸 制氢反应 functionalized graphene nano metal catalyst formic acid hydrogen generation reaction
1 1. 东华大学 材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2. 华东理工大学 化工学院 化学工程联合国家重点实验室, 上海 200237
高效稳定的光催化剂或助催化剂研究一直是光催化领域的重要课题之一。本研究以氧化石墨烯、氯化钴和2-甲基咪唑为前驱体, 结合液相法和氨气氮化法制备了负载Co5.47N的氮掺杂还原氧化石墨烯(Co5.47N/N-rGO), 其中Co5.47N高度分散、晶粒尺寸为10~20 nm。Co5.47N/N-rGO可以作为助催化剂有效地改善商业二氧化钛(P25)的光催化分解水制氢性能, 当其质量分数为25%时, 催化剂的制氢性能可以达到11.71 mmol·h -1·g -1, 相比于纯P25提升了90倍, 与负载贵金属Pt的性能相当(11.88 mmol·h -1·g -1), 并且具有良好的稳定性。本研究为高效非贵金属助催化剂的研制提供了新思路。
Co5.47N 氮掺杂石墨烯 TiO2 光催化制氢 助催化剂 Co5.47N nitrogen-doped graphene TiO2 photocatalytic hydrogen evolution co-catalyst
以能源开发(如光解水制氢)及环境保护(如有机物降解)应用为目标, 负载型贵金属催化剂在设计、制备及理论研究方面已取得了长足的发展。本工作以具有特异形貌及结构的树枝状二氧化硅纳米球载体为基础, 通过溶胶-凝胶法在其孔道引入二氧化钛纳米颗粒形成硅钛杂化结构。通过有机改性技术, 在树枝状硅钛杂化纳米球表面接枝氨基官能团。然后, 通过浸渍法和硼氢化钠还原手段, 在杂化纳米球孔道负载超细金纳米粒子。不同手段表征结果显示实验成功制备了树枝状硅钛杂化纳米球负载金纳米颗粒复合材料。在模拟太阳光下, 所得催化剂光解水产氢量及速率为69.08 μmol·g-1和13.82 μmol·g-1·h-1, 约为对比样催化剂(树枝状二氧化硅纳米球负载金纳米粒子)的7倍。在无光条件下, 其降解对硝基苯酚的表观动力学常数为6.540×10-3 s-1, 约为对比样的17倍(0.372×10-3 s-1)。由此可见, 设计合成的新型催化剂展现出优越的多功能催化活性。
树枝状纳米球 硅钛杂化结构 金纳米粒子 光解水制氢 对硝基苯酚还原 dendritic nanospheres silica&titania hybrid gold nanoparticles photocatalytic water splitting for hydrogen production p-nitrophenol reduction
1 江苏大学 化学与化工学院， 江苏 镇江 212013
2 江苏大学 环境与安全工程学院， 江苏 镇江 212013
半导体量子点因其具有精准的尺寸调控、独特的光电特性、丰富的表面活性位点等优势，在光催化剂设计和机理研究中获得了广泛关注。与传统半导体量子点主要作为光吸收单元不同，新兴的碳点更是在增加光吸收、促进电荷分离和增加表面反应位点等光催化不同环节均展现出优异的应用潜力。然而，量子点光催化剂由于小尺寸带来电荷复合严重、易团聚、稳定性差等问题而限制了其光催化性能。解决这些问题的主要途径之一是将零维(0D)量子点负载到超薄的二维(2D)纳米片上，形成0D/2D纳米复合材料，使量子点更加分散和稳定，且2D纳米材料促进的加速电荷转移能够抑制光生电荷的复合，从而可以有效地改善量子点基光催化剂的催化活性和稳定性。本文系统阐述了半导体量子点和碳点基0D/2D异质结光催化剂的构筑及应用，着重讨论了不同类型0D/2D异质结的光催化作用机理及面临的挑战，最后对其未来发展进行了分析和展望。
光催化 制氢 0D/2D异质结 半导体量子点 碳点 photocatalysis hydrogen production 0D/2D heterojunction semiconductor quantum dots carbon dots
