河南大学李秋叶/付现伟综述:完成电催化水剖析产业化开展的电催化剂布局设计

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弁言

随着产业化历程的加速和社会的开展,环球动力的需求也在继续的增加,招致大气中CO2浓度不停增长,曾经从产业化前的280 ppm增加到418 ppm,惹起了严峻的温室效应和情况净化。为了完成《巴黎协议》的既定目的,即本世纪末环球气温升幅限定在比产业化前程度高1.5~2.0 ℃以内,寻觅可替换煤、煤油等化石动力的干净动力火烧眉毛[huǒ shāo méi máo]。氢能作为一种高能量密度、干净、高效、可继续的动力载体,可以完成无碳动力的循环使用。在可再生电力的驱动下,电化学水剖析技能消费H2具有绿色环保、纯度高、复杂、服从初等好处成为最引人存眷的制氢方法之一。开辟低本钱、高活性、永劫间波动的电解水催化剂是当今电解水制氢范畴的重中之重。

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效果展示

克日,河南大学纳米质料工程研讨中心的付现伟副传授和李秋叶传授团队在Journal of Energy Chemistry上宣布题为“Structural Design for Electrocatalytic Water Splitting to Realize Industrial-Scale Deployment: Strategies, Advances, and Perspectives”的综述论文。论文第一作者是付现伟副传授和石瑞娟副传授,通讯作者为李秋叶传授和焦世龙副传授。
该综述中,作者起首扼要介绍以后的动力情况以及制备“绿氢”对碳中和的环球任务的紧张意义,论述修筑高功能电解水催化剂的紧张性。接着介绍析氢反响、析氧反响和全体水剖析反响的根本观点、评价参数和反响机理。然后重点介绍了进步电催化历程反响动力学的战略及其在优化电催化剂电子布局中的意义。并体系概述了比年来为满意产业化使用高电流密度电解水范畴获得的停顿、面对的应战和将来远景。

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图文导读

 高电流密度下功能精良的电催化剂在电解水制氢技能的产业开展中起着中心作用。本文介绍了完成高电流密度电解水催化剂的设计谋略,包罗非晶化、合金、掺杂、异质结、单原子等。讨论了催化剂共同的布局特性对电子布局的影响及其与电催化功能之间的构效干系,最初论述了延长实行室电解水制氢和产业化电解水制氢之间的差距面对的应战和将来远景。
图1. 产业化电解水历程中进步催化剂功能的种种战略及其对催化剂电子布局的优化。

1. 电催化析氢历程中的反响机理
电催化HER历程触及三个根本历程,包罗在电催化剂外表的吸附、复原和氢气脱附。依据电解质性子的差别,总结了HER反响在酸性和碱性电解质中遵照的反响途径。H2的构成可以经过Volmer-Heyrovsky (V-H)途径和Volmer-Tafel (V-T)途径。在酸性和碱性电解质中的第一步是氢原子在催化剂外表的活性中心的吸附历程(Volmer),并经过单电子转移历程构成EC-Hads,之后经过Heyrovsky或Tafel反响途径构成H2,并从电极外表脱附。
图2. 酸性和碱性电解质中电催化析氢机理表示图。

2. 电催化析氧历程中的反响机理
与电催化HER历程相比,OER是一个绝对迟缓的反响动力学历程,由于其触及多电子-质子转移历程。*OH、*O、*OOH两头态的构成是OER的须要条件,也大概成为OER的限速步调。与HER历程相似,在酸性和碱性电解质中会举行两种差别的OER途径。
图3. 酸性和碱性电解质中电催化氧化机理表示图。

3. 电催化HER/OER功能的评价
水剖析反响中的HER、OER和OWS都必要高活性的电催化剂,创建公道的活性器量、准确评价催化剂功能对公道设计针对 HER、OER 和 OWS 的高效电催化剂具有紧张意义。体系总结了举行电催化活性评价测试中常常用到的评价参数及其物理意义,包罗10 mA cm-2 (η10) 时的过电势、Tafel 斜率、波动性、电化学活性面积(ECSA,Electrochemical Surface Area)、面积比活性(SA,specific activity)、质量比活性(MA,mass activity)等。
图4. 评价电催化HER/OER的功能参数。

4. 完成产业范围电流密度电解水的战略
零碳排放电解水技能是消费高纯和高质量“绿氢”的紧张战略,现在产业化质子互换膜水电解槽(PEM)的事情条件必要满意槽压在1.8~2.2 V,电流密度达600~2000 mA cm-2,而且在划定的条件下要具有精良的波动性,其电解体系的寿命要长达10~20年。只管电解水技能曾经获得了宏大的前进,但从要害催化剂到功能、耐用性等仍旧面对着应战,为了满意产业化使用的需求对低本钱、高功能和高波动性的优秀催化剂提出了更高的要求,因而澳门电子游戏总结了优化电催化剂功能的多种战略,包罗合金、非晶化、掺杂、异质结、修筑单原子等,对完成将来电解水技能的范围化摆设具有紧张意义。
图5.调解电催化剂的布局完成产业化的电流密度,进而延长实行室制氢和产业化制氢之间的差距。

5. 优化电子布局
催化剂共同的布局特性体现出共同的电子布局,其要害两头体的吸附/脱附举动的变革与电催化活性间接相干。通常,优化电催化功能通常与其电子布局的变革有关,包罗(I)杂原子的引入而发生两头带,(II)d带地位的变革,以及(III)带隙变窄。电催化剂电子散布的变革会招致 (I)优化两头体的吸附能, (II)决速步调的能垒低落,以及(III)绝速步调的改动。作者细致讨论上述催化剂的设计谋略对电子布局的影响。
图6. 电子布局的调控可以减速电催化历程的反响动力学,从而进步析氢、析氧和全体水剖析的功能。

6. 瞻望
(1)在产业级电流密度下进步电催化剂的临时波动性是大范围摆设电解水技能的先决条件。质料的本钱占制备绿氢代价的大局部,因而必要电催化剂在高电流密度下的体现出永劫间波动性,以完成本钱进一步的低落。近来的研讨停顿标明电催化析氧反响的事情波动性长达 6000 h。但是,永劫间波动的HER和OWS电催化剂的研讨报道较少,这对电解水技能的实践使用组成了宏大拦阻。电催化剂永劫间波动性更有利于低落制备绿色氢气的本钱,因而必要开辟具有超长波动性的电催化剂。
(2)必要进一步增长电催化剂的电流密度。澳门电子游戏利用 H2A 模子预算了制备绿色氢气的本钱,在该模子中利用远高于现在已有文献报道的超高电流密度1500 mA cm-2 用于评价制备绿氢的本钱。而通常用于评价电催化功能的电流密度为 500 和 1000 mA cm-2,其远低于产业使用的尺度。因而,开辟可在超高电流密度下运转的高效电催化剂是绿色制氢技能实践使用的另一个偏向。
(3)较低的电解槽电压与低的绿色氢气本钱间接相干。经过低落电解槽电压可以进步电流服从到达低落电耗的目标,从而明显低落消费绿色氢气所需的能量以及由此发生的本钱。现在的研讨停顿标明可以把电解槽电压降落到 1.50 V 左右,这意味着电解槽电压可以进一步降落。为了完成电解水技能的大范围摆设,必要开辟可以明显低落电解槽电压的战略和办法。
(4)现在的电解槽存在氢气与氧气分散难的题目,这大概会进一步增长绿色氢气的本钱。必要寻觅符合的战略对产品H2和O2举行分散,以低落制备绿色氢气的本钱。为了缓解因分散历程而惹起的本钱上升,可以将HER与OER历程离开大概用别的电催化反响替换OER历程。经过深化了解上述战略并寻觅其他可替换办法。

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小结

论文总结了析氢反响、析氧反响和全体水剖析反响的根本观点、评价参数和反响机理。概述了优化电催化剂功能的多种战略。讨论了催化剂共同的布局特性对电子布局的影响及其与电催化功能之间的构效干系。经过片面了解产业条件下电解水技能的研讨停顿、机会和应战,将有大概推进电解水技能走向产业化。

文章信息

Structural Design for Electrocatalytic Water Splitting to Realize Industrial-Scale Deployment: Strategies, Advances, and Perspectives

Xianwei Fua,1,*, Ruijuan Shib,1, Shilong Jiaob,*, Mengmeng Lia, Qiuye Lia,*

J. Energy Chem., 2022.

DOI:10.1016/j.jechem.2022.02.010


作者信息

付现伟,河南大学副传授。2018年获山东大学功效晶体质料研讨所理学博士学位。2018-2020年在湖南大学质料迷信与工程学院举行博士后研讨。以第一作者或通讯作者在Nano Lett., Nano Today., Energy Environ. Sci., Sci. China Mater., ACS App. Mater. Interfaces.等国际学术期刊上宣布论文多篇。研讨兴味包罗光电传感、非线性光学、动力和情况催化范畴。

李秋叶,河南大学特聘传授,纳米质料工程研讨中心副主任。2008年获中国迷信院兰州化学物理研讨所理学博士学位,2008-2010年在日本国度质料迷信研讨所(NIMS)做博士后研讨。次要从事动力情况光催化和稠油催化降粘方面的研讨事情。以第一或通讯作者在Appl. Catal. B: Environ., Chem. Commun., J. Mater. Chem,J Catal. 等国际外着名期刊宣布学术论文80余篇,3篇论文被评为ESI高被引论文和热门论文。先后掌管国度天然迷信基金2项、教诲部博士点专项科研基金、河南省初等学校科技创新人才方案、河南省青年主干教员、河南省科技攻关等省部级项目5项;受权国度创造专利6件;获河南省科技前进三等奖1项、教诲厅科技效果一等奖2项。曾荣获河南省教诲厅学术技能带头人、省高校科技创新人才、省青年主干教员、开封市良好教员、河南大学师德斥候等声誉称呼。


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