電解水制氫電極材料的研究進展

1、電解水制氫電極材料的研究進展摘要：氫氣作為新型可再生能源，在航空航天、電子電器等工業(yè)領(lǐng)域及人類生活中占據(jù)重要的地位。目前，對水進行電催化分解是大規(guī)模制氫的重要途徑。在電解水制氫方面，電極材料的催化性能是關(guān)鍵因素。引言隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，能源需求量越來越大。煤、天然氣、石油等化石燃料屬于傳統(tǒng)能源，越用越少，總有枯竭的那一天，因此開發(fā)出供應(yīng)穩(wěn)定、使用高效的新能源迫在眉睫，該研究具有重要的社會意義。氫氣屬于二次能源，具有燃燒熱值高、清潔無污染、應(yīng)用范圍廣等特點，在航空航天、電子電器等工業(yè)領(lǐng)域及人類生活中占據(jù)重要的地位，在燃料動力方面具有不可替代的作用。目前，制氫的方法主要有煤氣化法、蒸汽轉(zhuǎn)化法及電解

2、水法等。其中，電解水法是最易大規(guī)模應(yīng)用的制氫方法，且所用設(shè)備簡單，制備過程無污染，制備的氫氣純度較高。實現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫的學(xué)家奮斗的目標，它也是一個研究的熱點。目前，應(yīng)用于催化制氫的電極材料主要有過渡金屬氧化物及其化合物，如磷氧化物及含硫化合物等（Ni P、FeP、MoS ）；還有金屬合金22材料，如一維材料碳納米管和二維平面材料氧化石墨烯（包括新型二維平1面材料 MXene）等。科學(xué)家們采用物理方法和化學(xué)方法對電極材料進行復(fù)合和改性，在理論研究和實驗應(yīng)用中逐步提高電極材料的活性位點，為常見的幾種催化電極材料在電解水制氫中的研究與應(yīng)用進行簡單的綜述和探討。鎳及鎳的二元、三元合金因具有較低的析

3、氫電位，故在電解水制氫領(lǐng)域具有較高的研究和應(yīng)用價值。目前，工業(yè)電解水制氫過程中應(yīng)用較為廣泛的電極材料是鎳合金，尤其是 Ni-Mo 和 Ni-Co合金。隨著對陰極材料的不斷開發(fā)及應(yīng)用，Ni-Co-P、Ni-Mo-Ge、Ni-Co-Si-B 等三元、四元合金逐漸受到人們的關(guān)注。胡偉康課題組用非靜態(tài)Ni-Fe-Mo200mA/cm 堿性KOH2 發(fā)現(xiàn)，在電極材料中添加 P、S 等非金屬元素，可以有效提高鎳合金的電催化活性。袁孝友課題組用電鍍液 NiSO -CS（NH ） 制備的新型陰極422材料 Ni-S（N），當電流密度達到2000mA/cm 時，其析氫電位下降了2160mV。研究發(fā)現(xiàn)，其Ni-S

4、層的金相結(jié)構(gòu)及含硫量在其析氫電位下降中起重要的作用。該陰極材料具有更小的槽電壓，顯示出了較高的催化穩(wěn)定性、多元復(fù)合的陰極析氫電極材料來說非常重要，鎳及鎳的多元合金的應(yīng)2用是一個趨勢。2 過渡金屬磷化物、硫化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的過渡金屬磷化物具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，它兼具金屬和陶瓷的特性，在不同條件下能生成各向同性的化合物。它具有優(yōu)異的催 Ni 2 P 年，2石曉崗等科研工作者采用化學(xué)氣相沉淀法制備出了 CoP/CNTs 納米復(fù)合材料，并詳細考察了該材料在酸性溶液中的電催化制氫性能。結(jié)果表明，定性3。孫旭平課題組通過水熱的方法，以鈦板為基底，成功制備出了FeOOH納米線。接著，經(jīng)過低溫磷化反應(yīng)，研究者

5、又成功地將納米線轉(zhuǎn)化成 FeP。該材料顯示出了極高的催化活性和穩(wěn)定性，當電流密度為10mA/cm 2存在，因此磷化物這一電極材料大多應(yīng)用于在酸性溶液中電解制氫4。目前，具有二維結(jié)構(gòu)的金屬硫化合物，如 MoS 、WS 、TiS 等，在222電催化等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，通過溶劑熱、化學(xué)剝離、機械剝離等方法，均可提高該類電極材料的催化活性位點。的熱點。由于二維材料具有較大的比表面積及更多的反應(yīng)位點，在制備高3催化活性電極材料方面具有優(yōu)勢，因此人們將金屬氧化物、硫化物負載在石墨烯的結(jié)構(gòu)中，來為獲得高性能的催化材料開辟空間。代紅艷課題組以鉬酸銨和氧化石墨烯為原料，利用水熱合成的方法，成功地將MoS 植入2二維結(jié)構(gòu)的石墨烯中，制備出了具有三維層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料MoS 2不同的過渡金屬化合物，來提高復(fù)合材料的催化活性位點。Mao MoSe 納米片的三維復(fù)合2材料，其過電位僅為 作為 故引起人們的關(guān)注。據(jù)理論計算與預(yù)測，引入不同種類和濃度的金屬元素的 領(lǐng)域。多高效、穩(wěn)定、廉價的復(fù)合電極材料，在大規(guī)模應(yīng)用方面取得了很大進展和很多突破。實現(xiàn)大