潘致宇
【期刊名称】《《化工中间体》》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】2页(P143-144)
【关键词】电催化析氢; 过渡金属; 硫化物; 氧化物; 磷化物
【作 者】潘致宇
【作者单位】uc3907金华第一中学 浙江 321000
【正文语种】中 文
【中图分类】T
1.引言
在当今社会，能源在生活中所占据的地位已经越来越高。没有能源，社会将无法发展，生活也将停滞不前。但是化石能源作为一种不可再生能源，储量即将告罄，急需替代品。氢能源作为一种热值大，使用无污染的新能源逐渐进入大家的视野中，也受到科学家们的广泛关注。
目前，对氢气最直接高效的方式是用于氢燃料电池，该种类型的电池与传统热能机具有显著的差别，其可以将化学能直接转换成电能，能够避开卡诺循环的限制，因此相对于传统热能机具有显著提高的能源使用效率。基于高效和环保的优点，氢燃料电池已经少量使用于汽车领域，而且随着该产业的持续研究与实际应用，在未来人类生活中将会使用越来越广泛。但是氢元素尽管储量丰富，却大多以水的形式存在，难以直接利用。 目前，在众多制氢工艺中，化石燃料重整制氢已经被大量使用，但是存在氢气纯度低和大量温室气体排放的问题。而通过以催化剂催化水电解制氢对能量的利用率较高，生产速度也较快，是一种良好的生产高纯氢气的方法。此外，还可以将风能、太阳能和潮汐能等产生的难以并入商业电网的电能通过电解来制备高纯氢气，因此是一种十分具有前景的制氢方式。 投票箱制作
目前，以商业Pt/C为代表的贵金属催化剂展示出优异电催化析氢活性，但是该类催化剂成本高昂，稳定性较差，因此难以投入大规模生产。而以过渡金属基电催化剂（以过渡金属元素、碳、硫、氢、氧为主要元素）为代表的非贵金属催化剂的有效开发能够很好地避免上述成本问题。但是目前存在的主要问题是过渡金属基电催化剂的催化活性相对于贵金属催化剂较差，因此开发出高效稳定的高活性过渡金属基电催化剂成为大家关注的问题，接下来对该领域取得的最新研究进展分别进行介绍。
2.研究内容
目前，研究较多的是过渡金属的硫化物、氧化物、碳化物、磷化物等四类材料，本文分别对它们进行详细的介绍。
(1)过渡金属硫化物
过渡金属硫化物催化剂以硫化钼，硫化镍为代表，具有良好的电催化电解水制氢的速率和稳定性。Meng等采用水热法制备了二硫化钼材料，并通过优化制备工艺使其具有较好电催化析氢活性，其在电流密度为10mA/cm2时过电位仅为200mV，此外该材料还展示出优异
的电催化稳定性。He等采用水热法在泡沫镍基体上制备了Ni3S2@Ni复合材料，该材料展示出较低的电催化析氢过电位和较小的塔菲尔斜率，而且具有良好的HER稳定性。Fu等采用水热法以泡沫镍为基体，用表面硫化的方式制出了Ni3S2/Ni复合材料，该材料具有较低的过电势和塔菲尔斜率，体现了良好的电催化活性，同时展示出良好的稳定性，是性能优异的析氢催化剂。
(2)过渡金属磷化物
过渡金属磷化物，以磷化钴和磷化镍为代表，具有着较好的催化活性和稳定性，同时它们价格较为低廉，适于大规模的生产，因此有巨大的潜力。Yang等将冷冻干燥法制备的前驱体在惰性气氛下高温煅烧得到了Co2P@N，P-C/CG复合催化剂，该催化剂展示出优异的电催化析氢活性，其塔菲尔斜率非常接近商业Pt/C催化剂，而且具有较大的交换电流密度。Wei等通过恒电位沉积法成功制备出了Co-P微米球复合材料，并对其进行了活化，该材料不仅具有很低的过电势，更是具有比商业Pt/C更低的塔菲尔斜率，在催化活性方面是首屈一指的催化剂，同时在强碱条件下具有非常好的催化稳定性。Jin等通过结晶相分离法将非晶的Ni-P纳米颗粒转化制出了具有中空多孔结构的Ni3P-PHNs纳米球，该材料具有较
小的过电位，其在10mA/cm2电流密度下过电位仅为85mV，同时也具有很好的催化稳定性。Li等通过对ZIF-67多面体的改进，成功制备得到了NiCo-LDH系列的材料，该催化剂具有较优的电催化析氢活性，尽管其过电势仍高于商业Pt/C催化剂，但是较同类型催化剂更为先进，同时该催化剂还具有非常优异的结构稳定性和电催化稳定性。
(3)过渡金属氧化物
在诸多过渡金属氧化物中，氧化钴材料因为价格低廉，储量丰富，且具有优越的电化学性质，能有效降低电催化反应的过电势，有望替代传统的贵金属用于电催化析氢中起催化作用。Han等首次通过一步脱合金催化法制备了尖晶石结构的钴铁氧化物纳米材料，该材料在碱性介质中展示出很好的催化活性，其具有较小的过电位和塔菲尔斜率，而且进一步改进制得的钴铁层状双氢氧化物材料可以使其电催化析氢性能进一步提升。Li等使用化学沉积法制备钴和钼二元金属氧化物粉末，并优化工艺改进该材料的催化效果，得到的产物具有较低的过电势和塔菲尔斜率，同时也展示出较强的稳定性。Li等运用超声合成法制备了a-NiFeO/C复合材料，研究结果表明当铁镍元素比例相当的时候催化性能最好，其塔菲尔斜率在31-39mV/dec范围，体现较强的催化活性，此外其也具有相对较低的电荷传递电阻，综合电催化性能优良。
(4)过渡金属碳化物
过渡金属碳化物因为具有与贵金属催化剂Pt相似的较好的电催化析氢性能和稳定性，电化学指标较好，同时在地球上储量更丰富，造价更低廉，因而受到了研究者的广泛关注。Yang等结合液相法和高温煅烧制备了碳化钼电极材料，该材料在酸性介质中具有较低的起始电位和较小的电催化析氢过电位，而且具有良好的定性。Qiao等使用真空微蒸发镀法制备了Mo2C/C复合催化剂，结果表明该复合材料具有良好的催化活性和稳定性。
3.结论与展望
电催化析氢是一种十分高效和便捷的制备高纯氢气的手段。目前，研究者已经开发出多种基于非贵金属的电催化析氢催化剂，主要是过渡金属的氧化物、碳化物、硫化物和磷化物等。这些材料作为电催化析氢催化剂均具有一定的优势，比如氧化物具有优异的电催化稳定性，硫化物和磷化物的电催化活性较优，而碳化物相对于上述三类材料具有居中的电催化活性和稳定性。但它们也存在各自的问题，其综合电催化析氢性能仍有待进一步提高，目前还不具备大规模商业化应用的全部条件。因此，针对这些问题我们提出如下展望：
铸造脱模剂（1）将具有优异活性的过渡金属硫化物和磷化物表面进行简单的包覆，使其相对欠缺的稳定性大幅提升，从而优化其综合电催化性能。
（2）将具有优异稳定性的氧化物进行宏观结构上的变化，以求增强其催化活性，增强其电催化综合性能。
（3）将多种材料进行复合形成多尺度复合材料，使其尽量兼具优异的活性和催化稳定性。
（4）采用结合理论计算和实验验证的策略，首先通过高性能计算方法模拟具有潜在优异电催化析氢性能的材料的结构，然后通过合适的实验验证理论计算结果，从而加速高性能电催化析氢催化剂的开发。
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