氢能既是零碳燃料,又是化石能源和可再生能源之间过渡和转换的桥梁。相对于水分解制氢,尿素分解制氢可以实现节能,以及解决尿素环境污染的问题。尿素具有储量丰富、安全性高和低成本等优点,且其理论上分解制氢性能远优于水分解制氢,是...氢能既是零碳燃料,又是化石能源和可再生能源之间过渡和转换的桥梁。相对于水分解制氢,尿素分解制氢可以实现节能,以及解决尿素环境污染的问题。尿素具有储量丰富、安全性高和低成本等优点,且其理论上分解制氢性能远优于水分解制氢,是未来氢气获取的重要来源之一。尿素氧化反应(UOR)是尿素分解制氢技术的重要半反应,决定了尿素电解池或尿素燃料电池的工作效率。催化剂在UOR反应中起着关键作用,其本征物化性质以及表面性质会显著影响UOR反应动力学,目前大体发展出无基底材料支撑的镍基催化剂、有基底材料支撑的镍基催化剂和非镍基催化剂三类。然而,UOR反应的过电位很高,高于理论值约1000 m V。UOR反应是一种涉及多质子耦合电子转移步骤的复杂反应过程,其具体的反应机理远非简单的C-N键断裂。贵金属基催化剂具有良好的UOR催化性能,但存在价格昂贵和储量不足的缺点。非贵过渡金属基催化剂则成为研究的焦点,其催化性能可能与贵金属基催化剂相当或超过贵金属基催化剂性能。镍基催化剂成为催化UOR反应的明星材料,目前已发展出金属镍、氢氧化镍、氧化镍、磷化镍、镍金属有机框架材料等大量含镍催化剂。进一步,也发展出Ni-Zn-Co、MoO_(2)/Ni_(2)P等含镍复合催化剂。新型UOR催化剂发展的同时,也形成了缺陷工程、结构工程、界面工程等先进的催化剂设计与调控方法。以镍元素为主要活性成分的UOR催化剂是电催化或光电催化UOR反应的研究焦点,按照催化剂生长基底可以分为无基底材料支撑和有基底材料支撑两类催化剂。近年来,以金属、氧化物、氢氧化物、磷化物和金属有机框架材料等形式存在的非贵金属、高效镍基电催化剂因能降低成本和加速反应动力学而受到广泛关注。另一方面,由钴基、铜基、钼基、锰基和铁基等过渡金属和镍元素复合形成的双金属或者三金属催化剂用于UOR反应也被大量研究。为了解决常见镍基催化剂电导率低的问题,人们在使用泡沫镍、碳基材料、钛网等高导电率基底材料与含镍催化剂形成复合材料方面也进行了不断的尝试。此外,一些新型的非镍基材料也被用作UOR反应的催化剂。本文归纳了尿素分解制氢催化剂的研究进展,分别对尿素分解制氢原理、电催化尿素氧化催化剂、光电催化尿素氧化催化剂、催化剂设计与合成等进行介绍,分析了尿素分解制氢催化剂面临的问题并展望其前景,以期为制备高效的尿素分解制氢催化剂提供参考。展开更多
文摘氢能既是零碳燃料,又是化石能源和可再生能源之间过渡和转换的桥梁。相对于水分解制氢,尿素分解制氢可以实现节能,以及解决尿素环境污染的问题。尿素具有储量丰富、安全性高和低成本等优点,且其理论上分解制氢性能远优于水分解制氢,是未来氢气获取的重要来源之一。尿素氧化反应(UOR)是尿素分解制氢技术的重要半反应,决定了尿素电解池或尿素燃料电池的工作效率。催化剂在UOR反应中起着关键作用,其本征物化性质以及表面性质会显著影响UOR反应动力学,目前大体发展出无基底材料支撑的镍基催化剂、有基底材料支撑的镍基催化剂和非镍基催化剂三类。然而,UOR反应的过电位很高,高于理论值约1000 m V。UOR反应是一种涉及多质子耦合电子转移步骤的复杂反应过程,其具体的反应机理远非简单的C-N键断裂。贵金属基催化剂具有良好的UOR催化性能,但存在价格昂贵和储量不足的缺点。非贵过渡金属基催化剂则成为研究的焦点,其催化性能可能与贵金属基催化剂相当或超过贵金属基催化剂性能。镍基催化剂成为催化UOR反应的明星材料,目前已发展出金属镍、氢氧化镍、氧化镍、磷化镍、镍金属有机框架材料等大量含镍催化剂。进一步,也发展出Ni-Zn-Co、MoO_(2)/Ni_(2)P等含镍复合催化剂。新型UOR催化剂发展的同时,也形成了缺陷工程、结构工程、界面工程等先进的催化剂设计与调控方法。以镍元素为主要活性成分的UOR催化剂是电催化或光电催化UOR反应的研究焦点,按照催化剂生长基底可以分为无基底材料支撑和有基底材料支撑两类催化剂。近年来,以金属、氧化物、氢氧化物、磷化物和金属有机框架材料等形式存在的非贵金属、高效镍基电催化剂因能降低成本和加速反应动力学而受到广泛关注。另一方面,由钴基、铜基、钼基、锰基和铁基等过渡金属和镍元素复合形成的双金属或者三金属催化剂用于UOR反应也被大量研究。为了解决常见镍基催化剂电导率低的问题,人们在使用泡沫镍、碳基材料、钛网等高导电率基底材料与含镍催化剂形成复合材料方面也进行了不断的尝试。此外,一些新型的非镍基材料也被用作UOR反应的催化剂。本文归纳了尿素分解制氢催化剂的研究进展,分别对尿素分解制氢原理、电催化尿素氧化催化剂、光电催化尿素氧化催化剂、催化剂设计与合成等进行介绍,分析了尿素分解制氢催化剂面临的问题并展望其前景,以期为制备高效的尿素分解制氢催化剂提供参考。
