催化学报 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (4): 574-591.DOI: 10.1016/S1872-2067(19)63458-3

• 中国科学院青年创新促进会专栏 • 上一篇    下一篇

层状过渡金属氢氧化物应用于碱性氢气析出反应

刘乾锋a,b, 王二东a, 孙公权a   

  1. a 中国科学院大连化学物理研究所, 洁净能源国家实验室, 燃料电池研究部, 辽宁大连 116023;
    b 中国科学院大学, 北京 100049
  • 收稿日期:2019-09-30 修回日期:2019-10-22 出版日期:2020-04-18 发布日期:2019-12-12
  • 通讯作者: 王二东, 孙公权
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2017YFC0306403);中国科学院战略性先导科技专项(XDA09030104,XDA22010601);中国科学院青年创新促进会.

Layered transition-metal hydroxides for alkaline hydrogen evolution reaction

Qianfeng Liua,b, Erdong Wanga, Gongquan Suna   

  1. a Division of Fuel Cell & Battery, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China;
    b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2019-09-30 Revised:2019-10-22 Online:2020-04-18 Published:2019-12-12
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key Research and Development Program (2017YFC0306403), the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA09030104, XDA22010601) and the Youth Innovation Promotion Association of the Chinese Academy of Sciences.

摘要: 氢气因为其高质量比活性,环境友好等特点,被公认为是一种很有希望替代化石能源的可再生能源.其中,碱性条件电解水被认为是可大规模生产氢气的技术之一.但氢气析出反应在碱性条件反应速率缓慢,为提升氢气析出反应速率,因此研究者们设计和制备了大量的材料.本文归纳了有效促进碱性条件氢气析出反应速率的关键材料——层状过渡金属氢氧化物的重要研究进展.首先,基于过渡金属氢氧化物的结构,阐述了过渡金属氢氧化物与氢气析出反应活性材料间的协同催化机理.接着,以提升协同催化作用为中心,归纳了基于过渡金属氢氧化物的氢气析出反应催化剂和电极的最近研究进展,分别包含过渡金属氢氧化物和氢气析出反应活性材料的种类、结构、形貌及其相互作用.此外,本文从高活性和长寿命的催化剂和电极设计出发,归纳了最近基于过渡金属氢氧化物的催化剂和电极在水分解领域的进展.最后,本文总结和展望了电解水制氢技术的未来应用和发展中不可避免的一些问题与挑战.
目前,应用于氢析出反应的过渡金属氢氧化物主要集中于镍基、钴基和铁基氢氧化物和其双金属氢氧化物,为层状水滑石结构.因为上述过渡金属氢氧化物弱的氢吸附,所以其析氢活性非常低.但是过渡金属氢氧化物对氢氧根的吸附能力强,其与析氢活性材料复合后能形成协同作用,提升氢析出反应速率.具体而言,当水吸附在析氢活性材料和过渡金属氢氧化物的界面处时,水的氢原子端吸附在析氢活性材料侧,而水的另一端——氢氧根,吸附在过渡金属氢氧化物侧,这样的吸附方式对水的分解具有很强的剪切作用,从而加快碱性氢析出反应的决速步——水分子分解,加快析氢反应速率.为深入理解协同作用和进一步提升协同作用效果,研究者对过渡金属氢氧化物和对应的复合析氢活性材料的种类、结构、形貌和含量,进行了系统深入的研究.结果显示,氢氧化镍和氢氧化钴能明显促进氢析出反应,其中,氢氧化镍更具优势.此外,过渡金属氢氧化物具有较好氧析出活性,所以合适的过渡金属氢氧化物与析氢活性材料复合后,可制备氢析出反应和氧析出反应的双功能催化剂和电极.

 

关键词: 过渡金属氢氧化物, 氢气析出反应, 水分解, 电催化, 协同作用

Abstract: Hydrogen is a promising sustainable energy to replace fossil fuels owning to its high specific energy and environmental friendliness. Alkaline water electrolysis has been considered as one of the most prospective technologies for large scale hydrogen production. To boost the sluggish kinetics of hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline media, abundant materials have been designed and fabricated. Herein, we summarize the key achievements in the development of layered transition-metal hydroxides[TM(OH)x] for efficient alkaline HER. Based on the structure of TM(OH)x, the mechanism of synergistic effect between TM(OH)x and HER active materials is illuminated firstly. Then, recent progress of TM(OH)x-based HER catalysts to optimize the synergistic effect are categorized as TM(OH)x and active materials, including species, structure, morphology and interaction relationship. Furthermore, TM(OH)x-based overall water splitting electrocatalysts and electrodes are summarized in the design principles for high activity and stability. Finally, some of key challenges for further developments and applications of hydrogen production are proposed.

Key words: Transition-metal hydroxides, Hydrogen evolution reaction, Water splitting, Electrocatalysis, Synergistic effect

中图分类号: