海南大学材料科学与工程学院,南海海洋资源利用国家重点实验室,海口 570228
开发廉价高效的催化剂是发展电解水产业的关键。层状双氢氧化物（LDH）在电催化析氧反应中表现出优异的性能，但这类催化剂在析氢反应中表现出的电化学性能并不好。本文通过将Ag元素掺杂在NiFe-LDH纳米片阵列中，获得了优异的析氢性能。结果表明，在1 mol/L KOH溶液中，电流密度达到10 mA·cm-2所需的过电位仅为73 mV，且塔菲尔斜率为61.3 mV·dacade-1。在800 mA·cm-2的大电流密度下过电位仅为493 mV，明显低于商用铂碳催化剂。在长达30 h稳定性测试后仍保持90%以上电化学性能。催化性能的改善归因于Ag掺杂NiFe-LDH使纳米片尺寸减小和比表面积增加，有效提升产氢动力学并改善电子传输，从而优化NiFe-LDH的电催化析氢性能。
层状双氢氧化物 镍铁 银 掺杂 电催化 析氢反应 layered double hydroxide NiFe Ag doping electrocatalysis hydrogen evolution reaction
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 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000
2 北京航空航天大学化学与环境学院, 北京 100191
电解水制氢是一种很有前途的、可以实现可持续能源供应的绿色方法。通过一步水热法, 制备出性能优异的NiCuP/泡沫镍析氢电催化剂。通过调控反应条件, 发现当镍铜摩尔比8:1, 水热温度140 ℃, 保温时间12 h时, 催化剂具有良好的析氢反应活性。此外, 探究了不同的改性剂对催化活性的影响。发现改性剂NaCl的加入能提供更好的离子交互环境从而显著提升催化性能: 当电流密度为10 mA/cm2时, 过电位达到108 mV, Tafel斜率为113 mV/dec(电流每变化10倍, 过电位变化为113 mV)。计算表明, Ni2P-Cu3P的原子d-p轨道相互作用诱发催化剂界面电子活性提升, 显著降低了活化势垒, 并且NaCl的加入对H2O分子解离成活性H离子起到促进作用, 从而提升析氢反应的催化活性。这为过渡金属电催化剂的研发提供了研究基础。
过渡金属磷化物 析氢反应 密度泛函理论 电催化剂 协同作用 transition metal phosphates hydrogen precipitation reaction density functional theory electrocatalyst synergy
商洛学院 化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000
镍基电极材料是碱性电解水中最具工业应用前景的过渡金属催化剂, 而其缓慢的析氢反应动力学及低活失活问题仍亟待解决。本研究以泡沫镍(NF)为基底, 采用一步循环伏安法制备了主晶相为独立分相的多晶态金属镍铜合金、夹杂有少量非晶态V2O5相、具有三维多孔团簇结构的金属镍铜负载钒氧化物电催化剂(VOx-NiCu/NF)。纳米颗粒、团簇交织形成的微米孔及泡沫镍的一级微孔共同构成了VOx-NiCu/NF的三级多孔微纳结构, 使其电催化活性面积增加了28倍, 并在析氢反应中表现出优异的催化性能。在碱性介质中, 获得-10 mA·cm-2的析氢电流密度, VOx-NiCu/NF需要的过电势(η10)仅为35 mV, 表现出类铂的催化活性, 具有优异的长效稳定性及强劲的耐用性。电极表面形成的多孔团簇结构, 显著增加了催化活性位点并为物质传递提供大量通道。镍铜合金及非晶态V2O5相, 在一定程度协同改善了材料的固有析氢活性。理想的组成及独特的结构特性提高了VOx-NiCu/NF的催化性能, 其中结构优势对其最优效能起主导作用。动力学分析发现, VOx-NiCu/NF在析氢过程遵循Volmer-Heyrovsky机理, 即表面活性氢原子的电化学脱附为电荷转移过程的决速步骤, 为后续深入研究催化机制奠定了基础。
镍铜合金 钒氧化物 析氢反应 团簇结构 协同效应 nickel-copper alloy vanadium oxide hydrogen evolution reaction cluster structure synergistic effect
1 1.青海师范大学 化学化工学院, 西宁 810000
2 2.中国科学技术大学 纳米科学技术学院, 苏州 215000
本研究采用简单的一步化学沉积法制备非晶纳米Nd-Ni-B/NF稀土复合电极并研究其析氢(Hydrogen evolution reaction, HER)性能。通过各种测试方法对纳米电极材料进行物相分析和形貌表征,并探索其电催化析氢性能和稳定性。结果表明, 稀土Nd可提高电极的电催化析氢性能, 当硝酸钕浓度为3 g∙L-1时, 恒温35 ℃下施镀1 h, 制备的Nd-Ni-B/NF电极析氢性能最佳。Nd-Ni-B/NF(Nickel foam)电极在1.0 mol∙L-1KOH 溶液中, 20 mA∙cm-2电流密度下的析氢过电位仅为180 mV, Tafel斜率为117 mV∙dec-1, 析氢反应由Volmer-Heyrovsky步骤控制。此外, Nd-Ni-B/NF电极具有优越的电化学稳定性, 在持续电解12 h或2000次循环伏安测试后, 催化剂的活性没有明显衰减。
化学沉积 Nd-Ni-B 非晶纳米 析氢反应 泡沫镍 electroless deposition Nd-Ni-B amorphous nano hydrogen evolution reaction nickel foam
清华大学材料学院激光材料加工研究中心, 北京 100084
相对于使用化石燃料的制氢方式,电解水不存在碳排放,是一种真正绿色环保的制氢技术,对发展氢能源具有重要意义。电解水的能耗和成本都较大,需要使用高效稳定的非贵金属催化剂,以降低过电压。激光具有高效、灵活、非接触、高度可控等优点,近年来已成为制备电解水催化剂的有效工具,但在一体化微纳米结构催化电极的制备方面存在不足之处。本文基于激光微纳制备方法,总结了激光液相合成粉末催化剂和激光制备自支撑微纳米结构催化电极的最新研究进展,并讨论了该领域未来的研究方向。
激光技术 微纳米结构 电解水 析氧反应 析氢反应
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 中山大学化学工程与技术学院, 珠海 519082
2 中山大学材料科学与工程学院, 测试中心, 广州 510275
电催化水还原是一种在温和条件下制氢的有效途径。高指数晶面控制是有望实现优良析氢反应(HER)催化活性的方法之一。然而, 高指数晶面控制的机制尚不清楚。在此, 我们结合原位拉曼光谱和理论计算, 阐明了高指数晶面增强Ti@TiO2纳米片催化性能的机理。在这个过程中, 水分子倾向于吸附到高指数晶面表面, 然后还原成氢。我们的工作为在能量和环境相关的问题上利用原位拉曼光谱研究过渡金属基电催化剂的电催化机理奠定了基础。
原位拉曼 中间体吸附 析氢反应 二氧化钛纳米片 In-situ Raman, Intermediates adsorption, Hydrogen
