电解水制氢电极材料的研究进展.doc

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1、电解水制氢电极材料的研究进展摘要：氢气作为新型可再生能源，在航空航天、电子电器等工业领域及人类生活中占据重要的地位。目前，对水进行电催化分解是大规模制氢的重要途径。在电解水制氢方面，电极材料的催化性能是关键因素。引言随着经济社会的发展，能源需求量越来越大。煤、天然气、石油等化石燃料属于传统能源，越用越少，总有枯竭的那一天，因此开发出供应稳定、使用高效的新能源迫在眉睫，该研究具有重要的社会意义。氢气属于二次能源，具有燃烧热值高、清洁无污染、应用范围广等特点，在航空航天、电子电器等工业领域及人类生活中占据重要的地位，在燃料动力方面具有不可替代的作用。目前，制氢的方法主要有煤气化法、蒸汽转化法及电解

2、水法等。其中，电解水法是最易大规模应用的制氢方法，且所用设备简单，制备过程无污染，制备的氢气纯度较高。实现大规模电解水制氢的关键是降低电解能耗，因此开发出具有较低析氢电位的电极材料一直是科学家奋斗的目标，它也是一个研究的热点。目前，应用于催化制氢的电极材料主要有过渡金属氧化物及其化合物，如磷氧化物及含硫化合物等（Ni2P、FeP、MoS2）；还有金属合金材料，如镍的二元、三元合金（Ni-Mo、Ni-Mo-Ge）；还有碳基底复合材料，如一维材料碳纳米管和二维平面材料氧化石墨烯（包括新型二维平面材料MXene）等。科学家们采用物理方法和化学方法对电极材料进行复合和改性，在理论研究和实验应用中逐步提

3、高电极材料的活性位点，为实现大规模电解水制氢提供了坚实的理论基础和可靠的实验依据。本文就常见的几种催化电极材料在电解水制氢中的研究与应用进行简单的综述和探讨。1金属镍及其合金催化剂镍及镍的二元、三元合金因具有较低的析氢电位，故在电解水制氢领域具有较高的研究和应用价值。目前，工业电解水制氢过程中应用较为广泛的电极材料是镍合金，尤其是Ni-Mo和Ni-Co合金。随着对阴极材料的不断开发及应用，Ni-Co-P、Ni-Mo-Ge、Ni-Co-Si-B等三元、四元合金逐渐受到人们的关注。胡伟康课题组用非静态Ni-Fe-Mo三元合金制备的阴极电极材料，在200mA/cm2碱性KOH溶液中，其析氢电位仅为9

4、0mV，具有较高的催化活性1。另外，研究者发现，在电极材料中添加P、S等非金属元素，可以有效提高镍合金的电催化活性。袁孝友课题组用电镀液NiSO4-CS（NH2）2制备的新型阴极材料Ni-S（N），当电流密度达到2000mA/cm2时，其析氢电位下降了160mV。研究发现，其Ni-S层的金相结构及含硫量在其析氢电位下降中起重要的作用。该阴极材料具有更小的槽电压，显示出了较高的催化稳定性2。由此可见，镍及镍的多元合金的研究与应用，对制备具有高催化活性、多元复合的阴极析氢电极材料来说非常重要，镍及镍的多元合金的应用是一个趋势。2过渡金属磷化物、硫化物结构稳定的过渡金属磷化物具有良好的导电、导热性能

5、，它兼具金属和陶瓷的特性，在不同条件下能生成各向同性的化合物。它具有优异的催化性能，在催化领域具有广泛的用途。采用水热法及电沉积法制备的Ni2P、CoP、Fe2P等化合物，均可以作为高效的制氢电极材料来使用。2017年，石晓岗等科研工作者采用化学气相沉淀法制备出了CoP/CNTs纳米复合材料，并详细考察了该材料在酸性溶液中的电催化制氢性能。结果表明，该复合材料的电位发生了明显的改变，并且该材料显示出了良好的循环稳定性3。孙旭平课题组通过水热的方法，以钛板为基底，成功制备出了FeOOH纳米线。接着，经过低温磷化反应，研究者又成功地将纳米线转化成FeP。该材料显示出了极高的催化活性和稳定性，当电流

6、密度为10mA/cm2时，其过电位仅为55mV。由于磷化物在酸性条件下可以稳定存在，因此磷化物这一电极材料大多应用于在酸性溶液中电解制氢4。目前，具有二维结构的金属硫化合物，如MoS2、WS2、TiS2等，在电催化等领域受到广泛关注。研究发现，通过溶剂热、化学剥离、机械剥离等方法，均可提高该类电极材料的催化活性位点。3碳基复合电极材料近年来，具有二维平面结构的石墨烯在催化领域的应用成为人们研究的热点。由于二维材料具有较大的比表面积及更多的反应位点，在制备高催化活性电极材料方面具有优势，因此人们将金属氧化物、硫化物负载在石墨烯的结构中，来为获得高性能的催化材料开辟空间。代红艳课题组以钼酸铵和氧化

7、石墨烯为原料，利用水热合成的方法，成功地将MoS2植入二维结构的石墨烯中，制备出了具有三维层状结构的石墨烯复合材料MoS2/Gr。结果表明，该三维复合材料拥有更多的反应活性位点，并呈现出极强的析氢能力和良好的循环稳定性5。另外，碳纳米管、碳布及多孔碳等材料也逐渐被当作析氢电极材料的基底而利用起来。研究者通过引入不同的过渡金属化合物，来提高复合材料的催化活性位点。Mao等人以石墨烯为基底，制备出了负载MoSe2纳米片的三维复合材料，其过电位仅为159mV，显现出优异的催化性能6。MXenes作为一种新型二维平面材料，2011年被报道出来，因其具有独特的二维结构，故引起人们的关注。据理论计算与预测，引入不同种类和浓度的金属元素的MXenes，能够提供较高的析氢反应活性位点，能够应用于电催化制氢领域。4总结与展望为了提升电解水制氢的效率，研究者利用不同方法和材料开发出了许多高效、稳定、廉价的复合电极材料，在大规模应用方面取得了很大进展和很多突破。实现大规模、高效、快速制氢不仅和电极材料有关，而且与电解设备等其他因素也有很大关系。面向催化制氢领域，研究和开发高效、稳定、廉价的复合电极材料具有重要的现实意义，因此，从理论上设计出催化活性更高且长期稳定的电极材料仍是今后研究者的重要任务和努力方向。5