镍钒水滑石电极用于可放大电催化5-羟甲基糠醛氧化耦合产氢

可再生能源驱动的电催化水裂解是获取绿氢的重要途径,但受到缓慢的阳极析氧反应(OER)限制。使用热力学有利的5-羟甲基糠醛氧化反应(HMFOR)代替OER的电解水制氢耦合氧化策略提供了一种降低能耗的有效策略,同时可以生产高附加值的有机含氧化合物,如2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。在该领域,大量工作集中于催化剂工程以获得更好的催化活性和产物选择性。然而,很少有研究关注到5-羟甲基糠醛(HMF)的规模化氧化制备FDCA。为此,我们合成了一种镍钒水滑石(NiV-LDH)催化剂用于高效HMFOR,在1.52 V vs.RHE(可逆氢电极)下,电流密度达到100 mA·cm^(-2) FDCA的法拉第效率高达94.6%。与OER相比,HMFOR将对应的氢气生产率提高了两倍。作为概念验证,我们使用流动反应器展示了连续且可规模化的HMFOR,在10 A条件下,实现了94.8%的高HMF单程转化率和98.5%的高FDCA选择性。

南开大学联合团队在电催化水分解制氢研究中取得进展

据《新华网》(2024-08-07)报道,南开大学联合西班牙科研团队,在电催化水分解制氢研究中取得突破进展。该联合团队利用金属载体相互作用构筑了碱性条件高活性析氢催化剂,能够在5 A/cm^(2)大电流密度下稳定运行超过1000 h,满足了阴离子交换膜电解水制氢技术商业化应用的需求。氢能作为一种低碳高效的清洁能源,在全球能源转型和应对气候变化方面扮演重要角色。以可再生能源电解水制氢为代表的绿氢在生产过程中不产生温室气体,被广泛视为实现碳中和目标的重要路径之一。

镍铁氢氧化物-磷化钴复合电极电催化分解水研究

本研究采用水热-磷化-电化学沉积法在磷化钴表面构筑了金属氢氧化物层,制备了NiFeOH/CoP/NF复合电极,考察了复合电极电解水制氢的性能。在1.0 mol/L的KOH介质中,NiFeOH/CoP/NF复合电极表现出良好的催化电解水性能。在电流密度为100 mA/cm^(2)时,NiFeOH/CoP/NF复合电极电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)所需的过电势分别为141和372 mV。在电流密度为10 mA/cm^(2)时,NiFeOH/CoP/NF同时用作阴极和阳极电解水所需电压仅为1.61 V。NiFeOH保护层增强了CoP在电解水反应中的活性和稳定性,NiFeOH/CoP/NF复合电极在恒电流电解中表现出高的HER和OER稳定性,活性可维持60000 s,性能未见明显衰减。将NiFeOH/CoP/NF两电极电解池与GaAs太阳能电池组成光伏-电解水系统,该系统在100 mW/cm^(2)模拟光照条件下,太阳能至氢能转化效率达到18.0%,并可稳定运行200 h。

电催化水分解催化剂的研究进展

为了解决工业革命带来的能源短缺和环境污染问题,亟需寻找可持续、清洁、高效的能源,氢气的燃烧产物只有水,是一种可替代化石燃料的无污染、可再生的理想清洁能源。通过电催化水分解制氢可实现零碳排放,被认为是最清洁和可持续的方法。总结了电催化析氢反应和析氧反应催化剂的研究进展,概述了其内在反应原理以及提高催化剂电催化水分解性能的设计方法,从贵金属基催化剂和非贵金属催化剂两方面展开讨论,介绍了增强催化剂电催化水分解活性的方法及目前催化剂面临的挑战,并对研究前景进行了展望。

以乙二醇为电子给体在CuO／TiO2上光催化分解水制氢

采用浸渍、热分解的方法在TiO2纳米颗粒上负载CuO制备得到光催化剂CuO/TiO2。研究了以乙二醇为电子给体,在CuO/TiO2上光催化分解水制氢的反应过程。重点分析考察了影响光催化产氢速率的因素如CuO的负载量、反应时间、光催化剂用量、乙二醇初始浓度等,同时对光催化制氢的反应机理进行了初步探讨。结果表明,氙灯光源模拟太阳光下最佳产氢速率达到604.5μmol·h-1·g-1;CuO/TiO2催化剂改善了光吸收性能、减少了光生载流子的复合速率,CuO可以起到传输电子的作用;乙二醇为电子给体很可能经过羟基乙醛进一步被氧化。

CoFeAl水滑石超薄纳米片的能带调控及其高效光催化分解水制氢性能

利用双滴法合成了厚度仅为1.86nm的超薄CoFeAl水滑石纳米片(CoFeAl-LDH),发现其具有优异的光催化产氢性能。利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、原子力显微镜和紫外-可见吸收光谱等多种表征方法,研究了其晶体结构、形貌和能带结构。实验结果表明,CoFeAl-LDH在400~800nm的可见光区域内均具有较好的光吸收能力,而且通过调变Co∶Fe∶Al的摩尔比例,实现了CoFeAl-LDH的能带调控。系统考查了不同Co∶Fe∶Al摩尔比例对其光催化产氢性能的影响,发现Co_(6)Fe_(3)Al_(3)-LDH催化剂展现出最好的产氢活性,产氢速率达到576μmol/g·h,高产氢活性主要是由于其具备更强的还原氢质子能力,以及更优的光生载流子分离效率。

释放多孔纳米结构的活力:可持续电催化水分解

电化学整体水分解(OWS)作为一种很有应用前景的能源转换技术,可用于生产清洁的可再生氢燃料,引起了人们的广泛关注.然而,水分解反应的半反应,即析氧反应(OER),因动力学缓慢、水分解热力学势垒高和能量消耗大等问题制约了OWS的广泛应用.研究发现,采用地球储量丰富的元素设计的多孔材料可以显著提高活性位点数量及其可及性,增大比表面积,优化反应物的吸附/脱附,改善传质,进而表现出较好的电催化活性.因此,系统梳理总结多孔纳米材料在电催化分解水领域的研究进展具有重要的意义.本文综述了近年来用于析氢反应,OER和OWS的多孔电催化剂的研究进展.聚焦于合成策略的最新进展,并结合多孔结构在电催化剂中的独特作用进行了讨论.概述了各种新兴的多孔电催化剂改性策略,包括结构工程、相工程、缺陷工程和应变工程;重点介绍了合成方法、多孔材料性能提升、机理理解、集成实验、水分解的理论研究和先进的改性策略,并提出了合成工艺.特别总结了结构-活性关系的研究成果,为设计和改性具有独特性能的多孔材料提供参考.最后,本文强调了当前多孔电催化剂所面临的科学挑战和未来发展方向,旨在为推动多孔电催化剂在电化学水分解领域的应用和发展提供借鉴.

多孔过渡金属电催化剂在水分解反应中的应用

随着能源短缺、气候恶化、环境污染等全球问题的日益严峻,迫切需要对目前的能源生产和利用方式进行重大变革。发展可再生的绿色清洁能源,降低传统化石能源在能源供应中的比重,是解决全球能源危机与环境问题的理想技术途径。电催化水分解反应能够将各地可再生资源产生的冗余电能转换为具有高能量密度且便于储存的氢能。综述了以廉价多孔过渡金属为基础的电催化剂在水分解中的应用进展,并对后续新型非贵金属电催化剂的研发方向进行了展望。

光热协同催化分解水制氢研究:能质传输与转化视角下的挑战与突破

太阳能光催化分解水制氢以其系统简单、成本低廉的优势,成为解决当前能源与环境问题、实现“双碳”目标的理想途径之一。然而,传统研究多聚焦于光催化材料本身,对反应界面(涉及气、液、固三相)能量和物质传输转换机制缺乏系统的跨尺度考量,致使整体光-氢转化效率长期处于较低水平。研究从能质传输与转化的角度出发,概述了光催化分解水制氢的基本原理和过程,并深入探讨了非稳态光吸收吸收与能量转化、缓慢的传质过程(特别是反应界面气泡成核、生长和脱附过程)以及极端地区水资源匮乏等瓶颈问题。针对这些挑战,提出了若干突破途径。首先,重点介绍了一种太阳能聚光-光热耦合反应系统,通过聚光技术实现光热协同,显著提高了太阳能的宽光谱利用率以及载流子的反应势能和转化效率。其次,详细论述了基于光热基底构建全新的液-固/气-固解耦型反应体系的理论和方法,有效克服三相体系中因气泡生成造成的传质限制。再次,阐述了利用太阳能分频技术和气固界面构建,实现空气集水与光催化分解水耦合制氢的策略,以应对水资源受限问题。最后,从工程化角度强调了系统设计及其规模示范的深远影响和重要意义,并对这一领域未来的研究方向提出了展望。

钴铁层状双金属氢氧化物的构筑及电催化分解水性能研究

由于与日俱增的能源污染以及不可再生化石燃料的大量消耗,探寻新的绿色清洁能源载体迫在眉睫。二维结构层状双金属氢氧化物在电催化分解水中表现出优异的电化学活性,但是导电性差、比表面小阻碍了性能的进一步提升。采用简便的水热法成功构筑了独特形貌的钴铁双金属层状氢氧化物(CoFe-LDHs),考察了催化剂电催化分解水性能。在1 mol/L KOH中,CoFe-LDHs-1∶1同时作为阴极和阳极在达到电流密度为10 mA/cm^(2)时仅需要施加1.62 V电压,在电催化分解水稳定性测试中也表现出卓越的催化稳定性,50 h的稳定性测试中没有出现明显的性能衰减。

ZnO/g-C_(3)N_(4)S型异质结的构建及光催化分解水制氢性能研究

采用静电纺丝和自组装技术制备了ZnO/g-C_(3)N_(4)S型异质结复合光催化剂,采用XRD、FTIR、TG、BET、XPS、SEM、UV-Vis、PL等手段对其进行了表征;在模拟太阳光照射下,以三乙醇胺为牺牲剂,研究了ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的光催化分解水制氢性能及机理。结果表明,当g-C_(3)N_(4)质量为ZnO质量的20%时,ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的光催化活性最高,析氢速率最快(428.02μmol·g^(-1)·h^(-1)),是ZnO的45.63倍;其光催化活性的显著增强主要归因于ZnO和g-C_(3)N_(4)之间构建了S型异质结;暗态下,电子通过ZnO/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂界面从g-C_(3)N_(4)转移到ZnO上,从而形成内建电场和半导体的能带弯曲;光照下,库仑力作用促进了无用电子与空穴的复合,进而实现了具有较高还原性光生电子和较高氧化性空穴在空间上的分离,促使复合光催化剂具有优异的氧化还原能力。

超薄的硫铟锌纳米片合成及其光催化水分解制氢

通过胶体化学法制备硫铟锌(ZnIn_(2)S_(4))纳米片,用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等对纳米片进行了表征。将纳米片配体交换后用于可见光催化制氢反应,用气相色谱仪(GC)进行产氢量测试,评价催化剂性能。结果表明,合成了超薄的ZnIn_(2)S_(4)纳米片,厚度仅为1.8nm;其产氢速率为600μmol/(h·g),并具有良好的循环稳定性,表现出了较好的光催化水分解制氢性能。该实验对设计光催化制氢催化剂有一定的启发。

Ni_(2)P@2D磷烯双功能电催化剂在光伏辅助全分解水制氢中的应用研究

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Ni_(2)P化合物,构建Ni_(2)P@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Ni_(2)P电催化剂,Ni_(2)P@BP催化剂展现出优异的析氢(HER)和析氧(OER)催化活性,在10 mA/cm^(2)电流密度下的过电势分别为167和186 mV。Ni_(2)P@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/cm^(2)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%。

微波法制备CdS-TiO_2NT复合催化剂及其在可见光下分解水制氢的性能

以CdCl2·2.5H2O,Na2S·9H2O和自制的TiO2纳米颗粒为原料,在微波反应器内合成了掺杂CdS的TiO2纳米管复合催化剂。通过高分辨透射电镜观察,发现采用此方法可合成形貌完好纳米管,管子内径为5-10nm,长度为150-200nm。X射线衍射表征结果显示合成的复合催化剂主要为锐钛矿型的多晶态TiO2纳米管,并且CdS的掺杂造成TiO2晶体变形,可能是CdS与TiO2之间存在相互作用和CdS部分进入TiO2晶格内部。X射线光电子能谱对该催化剂各元素电子环境进行了分析。紫外可见吸收光谱发现所制备的复合催化剂产生明显的红移现象,能吸收可见光。该催化剂在可见光下催化分解纯水制氢的催化性能结果表明,掺杂CdS（1.96%（wt））的TiO2纳米管催化剂能分解纯水产生氢气,产氢速率为12.9μmol·（h·g）^-1,而纯CdS纳米颗粒、纯TiO2纳米管以及这两者物理混合的催化剂则检测不到氢气的产生。通过考察不同CdS的掺杂量,发现CdS质量分数为1.96%的CdS-TiO2NT催化剂的可见光下催化活性最好。

金红石相含量对混晶纳米TiO_2光催化分解水制氢的影响

合成了不同金红石相含量的纳米TiO2,并研究了其光催化分解水制氢的活性。结果表明,未沉积Pt时,纯锐钛矿TiO2活性最高,金红石相含量的增加导致TiO2活性下降并在下降过程中出现波动。沉积Pt后,TiO2产氢速率随金红石相含量的增加先增后减,在金红石相质量分数为9.7%时达到最高,为40.35 mmol/(gcat.h)。首次提出了金红石相含量对混晶纳米TiO2光催化分解水制氢活性的影响机理。

光催化完全分解水制氢研究进展

由完全分解水的特殊性出发,从材料的结构和能带设计以及材料的表面修饰等方面对完全分解水光催化剂的研制及其分解水产氢产氧性能进行了评述.介绍了Z型体系在完全分解水制氢方面的原理,以及目前已经开发出来的几个Z型体系.对光催化完全分解水研究中存在的问题进行了简单分析.

太阳能光催化分解水制氢研究进展

利用太阳能分解水制备氢气是一种将太阳能转换成氢能的有效方式。介绍了太阳能光催化分解水制氢的原理,综述了近年来国内外太阳能分解水制氢催化剂的研究进展,介绍了贵金属负载、离子掺杂以及复合半导体等技术对催化剂进行修饰和改性处理的技术及其影响,并展望了未来太阳能光催化分解水制氢催化剂的发展方向。

冷等离子体处理制备NiO/SrTiO_3及其光催化水分解制氢性能研究

利用辉光放电等离子体处理改进常规浸渍法制备了NiO/SrTiO3光催化剂.XRD、XPS和TEM分析证明,金属颗粒在载体表面的分散性得到极大提高,并在反应中具有很好的稳定性.XPS、热重和XRD分析表明,等离子体处理使浸渍的Ni(NO3)2在常温下分解为晶化度较低的NiO团簇,该团簇可能与载体具有较强的相互作用.在光催化反应中,高分散的金属可以促进电荷传递,并提供更多的表面活性位.对于水分解制氢和甲醇溶液转化制氢反应,该催化剂的活性分别是常规催化剂的1.3倍和1.8倍.

负载型纳米CdS制备及催化分解水制氢的研究进展

硫化镉(CdS)是一种研究广泛的光催化剂,禁带能为2.4 eV,可以吸收波长小于520 nm的紫外和可见光,吸收波长范围宽,作为光催化剂具有较大的优势.纯CdS的光催化效率较低,在水溶液中易发生光腐蚀,致使催化寿命缩短,限制了CdS的应用.利用载体比表面积大,易于离子交换且有利于电子传递等优点,将纳米CdS制备成负载型催化剂,可以有效地提高CdS的光催化效率与稳定性,成为CdS改性的一种有效手段.本文综述了以SiO2、Al2O3、MgO、分子筛、高分子材料、层状化合物及钙钛矿型复合氧化物等为载体,制备负载型纳米CdS光催化剂的方法及其在光催化分解水制氢中的应用.

兰州化物所超薄α-Fe_2O_3光电催化分解水制氢研究取得新进展

太阳能光（电）催化分解水制氢是解决目前能源短缺与环境污染问题的理想途径之一。氧化铁（α-Fe2O3）由于具有较高的稳定性、较低的能带结构（2.1eV）以及自然储备丰富等优势,成为目前光电催化分解水制氢领域中的重要材料。然而,氧化铁同时具有导电性差、光生电子-空穴复合较快等缺陷,严重限制了其实际应用。