CS系列电催化案例-电催化析氢(HER)

碱金属阳离子浓度和电解液ph值对金（au）电极析氢反应（her）动力学-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在电化学领域，研究电极析氢反应（Her）的动力学是非常重要的，因为氢气在很多实际应用中具有高度的重要性，比如氢能源和储氢技术。

对于金（Au）电极来说，更是一个关键的研究领域，因为金电极具有优异的催化性能，能够有效地催化析氢反应。

在这篇文章中，我们将重点讨论碱金属阳离子浓度和电解液pH值这两个因素对金（Au）电极析氢反应动力学的影响。

碱金属阳离子是电解液中的重要组成部分，它们的浓度可以影响电极上的反应速率和产氢效率。

而电解液的pH值则反映了其酸碱性质，对电极界面的元素电荷分布和反应物种的活性也有重要影响。

通过研究碱金属阳离子浓度和电解液pH值对金（Au）电极析氢反应的影响，我们可以更好地理解其动力学机制和优化电解液配方，进而提高金（Au）电极的催化性能和电化学稳定性。

本文将从理论和实验两个方面来探讨这两个因素对电极析氢反应动力学的具体影响，并给出相应的结论和总结。

希望通过本文的分析和研究，能够为金（Au）电极析氢反应的研究和应用提供有价值的参考和指导，为推动氢能源技术的发展做出一定的贡献。

1.2 文章结构文章结构是指文章的整体分布和组织方式，用来指导读者阅读和理解文章的逻辑关系和内容安排。

本文共分为三个主要部分：引言、正文和结论。

引言部分是文章的开端，通过概述、文章结构和目的的介绍，引导读者对文章内容有个整体了解。

概述部分是对整个文章主题进行简单介绍，可以包括研究背景、相关领域的现状等。

文章结构部分在这里主要是对整篇文章的各个章节进行简要的列举和说明，使读者了解到后续各部分的内容和相互之间的关系。

目的部分主要是明确文章的研究目标，指明作者进行此研究的动机和意义，使读者能够明确文章研究的问题和目的。

整个文章的结构为引言、正文和结论三部分。

其中正文部分是文章的主体内容，包括对碱金属阳离子浓度和电解液pH值对金（Au）电极析氢反应动力学的影响进行详细的阐述和分析。

第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALSVol.52㊀No.9September,2023高效Mo-Ni5P4双功能电催化剂的制备及其电解水性能研究高㊀鹏,张艳平,王㊀敏,余婉菲,李建保(海南大学材料科学与工程学院,南海海洋资源利用国家重点实验室,海口㊀570228)摘要:电催化制氢通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)同时产生氢气(H2)和氧气(O2),是一种高效且环境友好的产氢方式㊂但现阶段商业化的高效催化剂价格昂贵且储量较少,限制了电解水技术的大规模应用㊂因此,开发低成本㊁高稳定和环境友好的高效电催化剂,特别是基于非贵金属材料的磷化物电催化剂,成为近期研究热点㊂本研究通过水热和相对较低的磷化温度成功制备出了具有镂空纳米花结构的Mo掺杂Ni5P4催化剂㊂通过X射线衍射(XRD)㊁扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Mo-Ni5P4催化剂进行了表征,并研究了Mo-Ni5P4材料的电化学性能㊂研究发现,所合成的催化剂凭借掺杂对电子结构的改变,以及多孔纳米片的大表面积优势,提高了HER水解离步骤的速率㊂在碱性电解液中,Mo负载下的Ni5P4仅需116mV的析氢过电位就可实现10mA㊃cm-2的电流密度,同时析氧过电位只需255mV㊂在双电极配置中仅需1.608V的电池电压,持续测试27h后,催化剂仍显示出良好的稳定性㊂关键词:Ni5P4;Mo;掺杂;电催化析氢;电催化析氧;电催化全解水中图分类号:O643;TM912㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000-985X(2023)09-1691-07 Preparation and Electrolytic Water Performance of an EconomicallyEfficient Mo-Ni5P4Bifunctional ElectrocatalystGAO Peng,ZHANG Yanping,WANG Min,YU Wanfei,LI Jianbao(State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea,School of Materials Science andEngineering,Hainan University,Haikou570228,China)Abstract:Electrocatalytic hydrogen production,to produce hydrogen(H2)and oxygen(O2)at the same time through hydrogen evolution reaction(HER)and oxygen evolution reaction(OER),which is considered as an efficient and environmentally friendly way to produce hydrogen.However,the high-efficiency catalysts for commercialization are expensive and have limited reserves,which limit the large-scale application of electrolytic water technology.Therefore,the development of efficient electrocatalysts with low cost,high stability and environmental friendliness,especially phosphides based on non-precious metal materials,is very challenging and much desired.Here,Mo-doped Ni5P4catalysts with hollow nanoflower structure were successfully prepared by hydrothermal and relatively low phosphorylation temperature.The microstructure of Mo-Ni5P4catalysts was characterized by X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM)and transmission electron microscopy(TEM),and the electrochemical properties of Mo-Ni5P4materials were investigated.The results show that,catalysts synthesized in this work promote the rate of the HER water dissociation step,taking advantage of the Mo and Ni5P4hollow structures change and the large surface area of the porous nanosheets.In alkaline electrolytes,Ni5P4under Mo loading requires only116mV of hydrogen evolution overpotential to achieve a current density of10mA㊃cm-2,while only 255mV of oxygen evolution overpotential is required.In a two-electrode configuration,a battery voltage of only1.608V is required.The catalyst still shows good stability after27h of continuous testing.Key words:Ni5P4;Mo;doping;electrocatalytic hydrogen evolution;electrocatalytic oxygen evolution;overall water splitting㊀㊀收稿日期:2023-03-14㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(52172086);海南省自然科学基金(522MS038)㊀㊀作者简介:高㊀鹏(1998 ),男,河南省人,硕士研究生㊂E-mail:1445967346@㊀㊀通信作者:李建保,博士,教授㊂E-mail:ljb-555@1692㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷0㊀引㊀㊀言当今,化石能源带来的气候问题及全球变暖的状况愈发严重,清洁能源成为全人类共同的需求[1]㊂由于H2表现出高的能量密度又非常环保,研究者们不断在制氢领域中探索以寻求高效便捷又经济的制氢方法㊂可以通过多种能量转换来实现制氢,例如光解㊁热解㊁电解和生物分解,其中电解制氢作为高效且方便的制氢方法,受到了研究者们的广泛青睐[2-6]㊂氢气虽然作为一种理想的清洁燃料能源,但实现氢气的经济实用仍需要高效的水分解材料来支撑㊂目前,铂(Pt)和钌(Ru)/铱(Ir)基贵金属材料分别是析氢反应(hydrogen evolution reaction,HER)和析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)电催化剂的活跃代表,但此类材料的稀缺程度及价格昂贵的问题说明了它们的不可持续[7-9]㊂为了解决这个问题,很多科研人员在非贵金属磷化物领域中进行了探索㊂对于磷化物催化剂来说,其优异的热稳定性和化学稳定性,以及非贵金属的特性保证了它在未来工业化应用的可能性,但磷化物的磷化程度完全依赖于制备温度,同时制备温度也普遍偏高,使得其生产成本提高,不利于未来的电解生产㊂在Ni5P4材料的制备过程中通常制备温度在400ħ以上,例如Ma等[10]在400ħ的温度下制备了铁掺杂的Ni5P4催化剂,并且达到10mA㊃cm-2的电流密度仅需131mV的过电位㊂He等[11]在氩气气氛下400ħ保温2h制备了钌掺杂的Ni5P4催化剂,其在碱性溶液中表现出非常出色的析氢性能㊂可见前人的研究中磷化物的制备少不了高温磷化的步骤,而选择较低的温度来制备磷化物催化剂很有发展前景㊂元素掺杂是优化催化剂的一种有效手段[12-16]㊂Zhou等[17]展示了一种海胆样N掺杂Ni5P4空心球的合成,通过阴离子掺杂进行电子调控,并与丰富活性位点的纳米结构相结合,在电流密度为10mA㊃cm-2时将过电位降低至96mV㊂Xiao等[18]㊁Qi等[19]㊁Pahuja等[20]和Rao等[21]分别用Co㊁Fe㊁Se和V对Ni4P5进行掺杂改性,使得催化性能都得到了大幅提升,说明掺杂是提升催化性能的有效方式㊂以上研究证明,合成大比表面积的纳米结构并结合掺杂调控是可行的选择㊂受以上工作的启发,本文选择使用较低磷化温度制备高效的双功能Mo掺杂Ni5P4催化剂㊂通过水热和350ħ的磷化温度,成功在泡沫镍上制备了多孔镂空纳米花状催化剂,分别用于高效的HER和OER㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀实验试剂次亚磷酸钠㊃一水(NaH2PO2㊃H2O),分析纯,上海易恩化学技术有限公司;氯化镍㊃六水(NiCl2㊃6H2O),分析纯,99%,上海易恩化学技术有限公司;钼酸钠㊃二水(Na2MoO4㊃2H2O),分析纯,99%,上海易恩化学技术有限公司;氟化铵(NH4F),分析纯,96%,上海易恩化学技术有限公司;尿素((NH2)2CO),分析纯,99%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;无水乙醇,分析纯,西陇科学股份有限公司;泡沫镍,厚度为2mm,昆山尚特新材料有限公司㊂1.2㊀催化剂的合成合成示意图如图1所示㊂首先进行泡沫镍的预处理,将泡沫镍切成1.5cmˑ3cmˑ0.2cm的小长条,用HCl浸泡并超声处理30min后分别用乙醇和去离子水超声清洗3次㊂之后将2mmol的NiCl2㊃6H2O, 10mmol尿素和0.08g的NH4F溶解在30mL的去离子水中,并在其中滴加200μL浓度为0.1mol/L的Na2 MoO4㊃2H2O溶液,放入清洗过的泡沫镍后转移至50mL的反应釜中㊂将反应釜放入120ħ的烘箱中反应12h,冷却至室温后取出样品,用酒精和超纯水冲洗数次后在60ħ干燥箱中干燥6h㊂最终得到泡沫镍上原位生长的Mo-Ni(OH)2前驱体㊂将干燥后的Mo-Ni(OH)2前驱体放置在管式炉中,在其上游放置1.5g NaH2PO2㊃H2O,随后在N2气氛下,以标况下1mL/min的流速和2ħ/min的升温速率升温至350ħ并保温2h,自然冷却至室温后,得到泡沫镍上原位生长的Mo-Ni5P4纳米催化剂㊂当不滴加Na2MoO4㊃2H2O时得到了未掺杂的Ni5P4样品㊂1.3㊀表征与电化学测试所有样品的物理化学性质都由以下手段进行表征㊂XRD图谱在X射线衍射仪(XRD-Rigaku-Smart Lab)上以3(ʎ)/min-1的扫描速率和25ʎ~80ʎ的范围测得,靶材为铜靶,样品为粉末㊂场发射扫描电子显微镜㊀第9期高㊀鹏等:高效Mo-Ni 5P 4双功能电催化剂的制备及其电解水性能研究1693㊀(SEM-日立S-4800)用来表征材料的微观形貌和尺寸,X 射线能谱分析仪(EDX)用来表征材料的表面元素㊂透射电子显微镜(TEM-美国FEI Tecnai G2F 20)在200kV 下表征样品形貌组成特征㊂图1㊀Mo-Ni 5P 4电催化剂的合成示意图Fig.1㊀Schematic diagram of the synthesis of Mo-Ni 5P 4electrocatalyst 电化学测量是在室温下用电化学工作站(CHI-660E)进行的㊂在1mol /L KOH 电解质中通过使用三电极体系对HER 和OER 的电化学性能进行测量,石墨棒作为对电极,饱和甘汞电极(Hg /HgCl 2/KCl)作为参比电极,制备的Mo-Ni 5P 4材料切成3mm ˑ3mm 用作工作电极,对比实验时制备了负载在泡沫镍上的商业RuO 2和Pt /C 作为对比工作电极㊂并用公式E (RHE)=E (SCE)+0.059pH +0.240V 对可逆氢电极进行校正㊂2㊀结果与讨论图2㊀Mo-Ni 5P 4和Ni 5P 4样品的XRD 图谱Fig.2㊀XRD patterns of Mo-Ni 5P 4and Ni 5P 4samples2.1㊀材料表征分析如图2所示,利用XRD 分析确定了所合成催化剂的晶相㊂其中掺杂和未掺杂Mo 的Ni 5P 4与标准PDF 卡片JCPDS#89-2588相结构一致,说明掺杂Mo 没有改变主相结构㊂通过扫描电子显微镜进行了初步的材料形貌观察㊂如图3所示,发现掺杂后,Mo-Ni 5P 4整体呈现出多孔镂空的纳米花状,在它的底层是互相交织的纳米片,它们将泡沫镍完整包裹并暴露出大量空隙,同时这些镂空纳米花又分散或少部分团聚于底层交织的纳米片之上,使得材料表面积扩大㊂从图3(a)可以看出,纳米花由一片片多孔镂空的纳米片交织组成,裸露出大量的精细结构,这对活性位点的暴露是十分有利的,而且可以增加电解液的接触面积,进而提高水解离的速率和气体的扩散㊂图3㊀不同放大倍数下Mo-Ni 5P 4催化剂的SEM 照片Fig.3㊀SEM images of Mo-Ni 5P 4catalyst at different magnification1694㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷为了进一步揭示材料的详细微结构,测试了Mo-Ni 5P 4样品的高分辨率TEM 照片(见图4(a)㊁(d)),证实了镂空纳米片结构的存在㊂同时纳米片的高分辨率TEM 照片显示了分辨率良好的晶格条纹,测得的晶格条纹间距(0.208nm)与Ni 5P 4的(212)晶面相匹配㊂通过对Mo-Ni 5P 4催化剂进行EDX 面分布扫描,得到了所有元素的分布情况(见图4(b)),可以看出各种元素均存在㊂图4(c)㊁(e)㊁(f)分别显示了Ni㊁P㊁Mo 三种元素的分布状况,结果验证了Mo 元素的成功掺杂且分布均匀并未团聚㊂图4㊀Mo-Ni 5P 4样品的TEM 表征㊂(a),(d)HRTEM 照片;(b),(c),(e),(f)EDX 面分布图Fig.4㊀TEM characterization of Mo-Ni 5P 4sample.(a),(d)HRTEM images;(b),(c),(e),(f)EDX plane distribution images 2.2㊀电催化析氢性能首先在N 2饱和的碱性(1mol /L KOH)溶液中,用典型的三电极系统测试了Mo-Ni 5P 4的HER 活性,商业铂碳(Pt /C)催化剂作为对比样品也进行同等测试㊂图5(a)显示了相对于可逆氢电极(RHE)的线性扫描伏安法(LSV)曲线,和预期的一致,Pt /C 电极表现出高的催化活性,仅在78mV 的过电位(η)下就提供了10mA㊃cm -2的电流密度,而相对于Ni 5P 4(η=151mV)和泡沫镍(η=237mV)的Mo-Ni 5P 4催化剂,它也只需116mV 的过电位便可实现10mA㊃cm -2的电流密度,该值已经低于很多已报道的镍基磷化物催化剂的性能㊂Tafel 斜率可用来评价HER 的动力学,塔菲尔斜率可通过塔菲尔方程获得:η=b lg j +a [22-23]㊂图5(c)显示了Mo-Ni 5P 4㊁Ni 5P 4㊁NF 和商业Pt /C 对应的Tafel 斜率,Mo-Ni 5P 4催化剂拟合的斜率为68.0mV㊃dec -1,接近于Pt /C 的斜率40.8mV㊃dec -1,并且远低于Ni 5P 4(78.8mV㊃dec -1)和NF(193.7mV㊃dec -1)的Tafel 斜率,表明Mo-Ni 5P 4催化剂具有高的电子传递系数和优异的催化动力学㊂如图5(d)所示,电化学阻抗谱表明Mo-Ni 5P 4(69.7Ω)具有更小的电荷转移电阻,虽大于Pt /C 的电荷转移电阻,但相对于未掺杂Mo 元素的Ni 5P 4(109.6Ω),掺杂后明显减少了电子的转移电阻,证明了镂空状纳米结构在析氢反应中具有更快的电子转移速率,较小的电阻可归结于Mo 元素的引入㊂Pt /C(25.1Ω)催化剂的电荷转移电阻小于Mo-Ni 5P 4,这与极化曲线所得出的结果相同㊂2.3㊀电催化析氧性能此外,采用标准三电极体系在O 2饱和的1mol /L KOH 电解质中进行了OER 测试㊂相比Mo-Ni 5P 4催化剂的HER 的性能来说,它所表现在OER 方面的性能更为优越,与商业RuO 2相比,其具有更好的OER 活性㊂在OER 的测试中,以5mV㊃s -1的扫描速率采集极化曲线,并精确地测定小电流密度下的过电位[24]㊂如图6(a)㊁(b),Mo-Ni 5P 4催化剂在碱性电解液中的催化活性高于Ni 5P 4㊁RuO 2和NF,分别需要255㊁291㊁309㊁㊀第9期高㊀鹏等:高效Mo-Ni5P4双功能电催化剂的制备及其电解水性能研究1695㊀图5㊀在1mol/L KOH溶液中Mo-Ni5P4和对比样之间的HER性能对比图㊂(a)极化曲线;(b)10mA㊃cm-2电流密度处的HER过电位;(c)Tafel图;(d)阻抗图谱Fig.5㊀Comparison of HER performance between Mo-Ni5P4and comparison samples in1mol/L KOH solution. (a)Polarization curves;(b)HER overpotential at a current density of10mA㊃cm-2;(c)Tafel plots;(d)Nyquist plots图6㊀在1mol/L KOH溶液中Mo-Ni5P4和对比样之间的OER性能对比图㊂(a)极化曲线;(b)10mA㊃cm-2电流密度处的OER过电位;(c)Tafel图Fig.6㊀Comparison of OER performance between Mo-Ni5P4and comparison samples in1mol/L KOH solution.(a)Polarization curves;(b)OER overpotential at a current density of10mA㊃cm-2;(c)Tafel plots1696㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷360mV的过电位来达到10mA㊃cm-2的电流密度㊂这种OER催化活性使该催化剂性能优于很多自支撑的片状磷化物和目前报道的其他类型催化剂[25-27]㊂另外根据极化曲线得到塔菲尔曲线,Mo-Ni5P4和Ni5P4的Tafel斜率分别为48.4和93.2mV㊃dec-1(见图6(c)),低于商用RuO2和单纯的泡沫镍(104.7和162.1mV㊃dec-1),证明Mo-Ni5P4的反应动力学最快㊂2.4㊀电催化全解水性能考虑到催化剂在析氢析氧方面均表现出优异的水分解性能,因此构建了Mo-Ni5P4阴阳极催化剂的双电极配置来进一步研究整体水分解性能,在碱性溶液下进行两电极性能测试㊂并且使用商业电极(RuO2作为阳极,Pt/C作为阴极)在相同的条件下进行了测试㊂由图7(a)的极化曲线可以看出,在1mol/L KOH溶液中达到10mA㊃cm-2的电流密度仅需要1.608V的电池电压就能实现,远低于RuO2和Pt/C组成的双电极电压(1.665V)㊂更重要的是,在长期稳定性测试中(见图7(b)),电极电势在27h内保持稳定,表明该催化剂具有长期的稳定性㊂说明Mo-Ni5P4催化剂具有实际应用的可能性㊂图7㊀Mo-Ni5P4耦和Pt/C-RuO2耦的完全水分解性能对比图㊂(a)LSV曲线;(b)电流密度为10mA㊃cm-2时的稳定性Fig.7㊀Comparison of the complete hydrolysis performance of Mo-Ni5P4and Pt/C-RuO2coupling.(a)LSV profiles;(b)stability at a current density of10mA㊃cm-23㊀结㊀㊀论本文使用较低磷化温度制备了Mo掺杂Ni5P4高效电催化剂,该催化剂同时拥有析氢析氧功能,表现出优异的电解水性能㊂在碱性溶液中,HER和OER分别表现出116和255mV的低过电位,同时低的塔菲尔斜率说明该催化剂具有更快的动力学特征㊂在两电极体系中,1.608V的电池电压即可驱动10mA㊃cm-2的电流密度,同时27h的超长稳定性使得其在实际应用中成为可能㊂优异的电化学性能可归结于Mo掺杂改变了Ni5P4的电子结构,进而提升了析氢反应动力学,同时多孔镂空纳米花形貌的构建为更多的活性位点暴露提供了可能,这都为加速水分解效率奠定了基础㊂该催化剂在电解水领域具有广阔的应用前景㊂参考文献[1]㊀SHINDELL D,SMITH C J.Climate and air-quality benefits of a realistic phase-out of fossil fuels[J].Nature,2019,573(7774):408-411.[2]㊀BAYKARA S Z,BILGEN E.An overall assessment of hydrogen production by solar water thermolysis[J].International Journal of HydrogenEnergy,1989,14(12):881-891.[3]㊀ANXOLABÉHÈRE-MALLART E,COSTENTIN C,FOURNIER M,et al.Boron-capped tris(glyoximato)cobalt clathrochelate as a precursor forthe electrodeposition of nanoparticles catalyzing H2evolution in water[J].Journal of the American Chemical Society,2012,134(14): 6104-6107.[4]㊀ZHU Y P,REN T 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电催化剂碳载体的功能化概述及解释说明1. 引言1.1 概述在过去几十年里，电催化剂碳载体的功能化已经成为能源转换和环境领域研究的热点之一。

电催化剂是一种可以在电化学反应中促进电子转移的材料，而碳载体则是一种优秀的催化支撑材料，具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等特点。

因此，将电催化剂与碳载体相结合进行功能化研究，不仅可以提高其催化活性和稳定性，还可以拓宽其应用范围，并在能源转换和环境领域中发挥重要作用。

1.2 文章结构本文主要分为五个部分。

首先，在引言部分我们将对电催化剂碳载体的功能化进行概述，并介绍文章的目的。

接下来，在“2. 电催化剂碳载体的功能化”部分将详细解释碳载体的概念以及电催化剂功能化的定义和意义。

然后，在“3. 实现电催化剂碳载体功能化的关键要点”部分我们将讨论实现该功能化过程所需考虑的关键因素和方法。

随后，在“4. 碳载体功能化在能源转换和环境领域的应用案例分析”部分将展示电催化氧还原反应、电催化析氢反应以及其他相关领域中碳载体功能化的研究进展和应用案例。

最后，在“5. 结论”部分我们将总结本文的主要内容并对未来的研究方向进行展望。

1.3 目的本文旨在系统概述电催化剂碳载体的功能化，并对其在能源转换和环境领域中的应用进行详细分析。

通过探讨材料选择与制备技术、表面修饰与改性策略以及催化性能评价与优化方法等关键要点，我们希望为相关研究提供一些有益的指导，并为该领域未来的研究方向提供参考。

此外，通过介绍具体的应用案例，我们还将展示电催化剂碳载体功能化在实际工程中的巨大潜力，为推动能源转换和环境保护做出贡献。

2. 电催化剂碳载体的功能化2.1 碳载体介绍在电化学领域，碳材料作为电催化剂的载体具有独特的优势。

碳材料广泛存在于自然界中，如天然石墨、活性炭等，同时还可以通过多种方法制备得到，如染料敏化太阳能电池中常用的石墨烯等。

由于其高比表面积、丰富的孔隙结构以及良好的导电性能，碳材料被广泛应用于能源转换和环境领域。

大电流密度下高性能析氢电催化剂研究进展
张奇;郑东前;刘馨璐;杨勇;梁欣;董珊珊
【期刊名称】《低碳化学与化工》
【年(卷),期】2024(49)5
【摘要】H_(2)作为一种清洁能源,被认为是缓解能源危机和减少环境污染最有前景的替代能源之一。

利用可再生能源电解水制氢是生产绿氢的重要方法,但是工业电解水制氢大多存在运行电流密度低、能耗高等难题。

提高电流密度是提高产氢速率最直接的方式,但是在未对电催化剂进行优化的情况下,提高电流密度会造成电耗的增加,因此亟需开发出在大电流密度下低过电位的高性能析氢反应(以下简称“HER”)电催化剂。

首先介绍了在酸性和碱性介质中的HER反应机理:Volmer-Heyrovsky和Volmer-Tafel,提出了在大电流密度下高性能HER电催化剂需满足的要求;然后从单原子催化剂、合金催化剂和异质结构催化剂等角度出发,阐述了近年来国内外贵金属、非贵金属HER电催化剂的研究进展;最后对HER电催化剂未来发展所面临的挑战和机遇进行了分析。

【总页数】9页(P96-104)
【作者】张奇;郑东前;刘馨璐;杨勇;梁欣;董珊珊
【作者单位】中国石化销售股份有限公司应用技术研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ116.21;O646
【相关文献】
1.电催化析氢反应及析氢催化剂研究进展
2.大电流密度下铬电极析氢行为
3.MOF 衍生的分层多孔三维N-CoP_(x)/Ni_(2)P大电流密度下加速析氢
4.基于MOFs模板低温水热原位合成高性能析氢催化剂
5.大电流密度过渡金属硫族化合物析氢催化剂界面工程展望
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摘要：随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，清洁能源的开发与利用成为当务之急。

氢能作为一种清洁、高效、可再生的能源，受到广泛关注。

电催化析氢反应（HER）是电解水制氢的关键步骤，而镍基电催化析氢材料因其优异的性能和较低的成本，成为研究的热点。

本文综述了镍基电催化析氢材料的研究进展，包括材料的制备方法、结构调控、性能优化以及应用前景等方面，旨在为镍基电催化析氢材料的研究提供参考。

一、引言氢能作为一种理想的清洁能源，具有燃烧热值高、燃烧产物无污染等优点。

电解水制氢是获取氢能的主要途径之一，其中电催化析氢反应（HER）是电解水制氢过程中的关键步骤。

目前，贵金属如铂（Pt）、钯（Pd）等因其优异的催化活性而被广泛应用于HER，但贵金属资源稀缺、价格昂贵，限制了其大规模应用。

因此，开发低成本、高性能的镍基电催化析氢材料具有重要意义。

二、镍基电催化析氢材料的制备方法1. 湿法合成湿法合成是制备镍基电催化析氢材料的主要方法之一，包括化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等。

化学沉淀法通过控制反应条件，使镍离子在溶液中形成氢氧化物或氧化物，然后通过过滤、洗涤、干燥等步骤得到镍基材料。

溶胶-凝胶法以金属醇盐为原料，通过水解缩聚反应形成溶胶，然后通过干燥、热处理等步骤得到镍基材料。

水热法在高温、高压条件下，使金属离子与水或水溶液中的其他物质发生反应，生成镍基材料。

2. 混合方法混合方法是将两种或两种以上的材料混合制备镍基电催化析氢材料，如镍基复合材料、金属有机框架（MOF）等。

通过调控复合材料的组成、结构等，提高镍基材料的催化活性、稳定性和抗腐蚀性。

三、镍基电催化析氢材料的结构调控1. 表面形貌调控通过调控镍基材料的表面形貌，可以改变其比表面积、孔结构等，从而提高材料的催化活性。

例如，采用水热法制备的Ni纳米线具有较大的比表面积和丰富的孔结构，有利于提高材料的催化活性。

2. 晶体结构调控通过调控镍基材料的晶体结构，可以改变其电子结构、能带结构等，从而提高材料的催化活性。

化学her是什么HER是电催化剂析氢反应的简写。

电催化剂析氢反应指的是通过电化学的方法使用催化剂产生氢气。

氢是重要的化工原料，也是理想的清洁能源之一，一直受到广泛的重视。

电解水制氢是廉价制备氢气、实现工业化的重要手段。

近年来，由于能源供应进展的问题，人们越来越重视可再生能源的发展。

自上世纪70年代初以来，氢气一直被认为是理想的能源载体，因为它是二氧化碳零排放并且是在已知燃料中能量密度最高的。

氢气可以以化学键形式从可再生能源中产生，这些能量可以在需要时通过使用燃料电池或其他设备转换回电力来输送给终端。

在我们的星球上，氢不是以游离形式存在，而是主要存在于碳氢化合物和水等化合物中。

目前，氢气主要来自碳氢化合物的蒸馏——一个能源密集型和温室气体排放密集型的过程，导致经济和工业规模的可持续生产是一项艰巨的挑战。

一种实现这一目标的方法是通过电解或光催化分解水，利用阳光的可再生能量直接或间接地将水分子分解成它们的组成部分。

析氢反应( HER )是水分解的阴极半反应，也是研究最深入的电化学反应之一。

它对一系列能量转换器件至关重要，包括水电解槽和人工光合电池。

如下面的方程式所示，通过质子或水分子的减少，伴随着气态氢的随后产生而进行。

酸性电解液：2H++2e-→H2碱性电解液：2H2O+2e-→H2+2OH-在pH= 0的情况下，HER的标准还原电位定义为: E0=0 V vs. NHE。

然而，类似于许多化学反应，电化学过程必须克服一定的活化能势垒(在电化学中称为过电位)才能发生。

它们通常需要电催化剂的帮助来降低过电位，从而提高反应速率和效率。

这里，我们对HER电催化的介绍进行综述，包括一些基本概念、热力学和可能的反应途径以及电化学测试内容。

第 48 卷 第 4 期2019 年 4 月Vol.48 No.4Apr. 2019化工技术与开发Technology & Development of Chemical IndustryMOF 衍生的多壁碳纳米管复合的纳米多孔碳材料的合成及其电化学性能徐乐琼（温州大学化学与材料工程学院，浙江 温州 325000）摘　要：本文以硝酸锌和硝酸镍为金属盐，2-甲基咪唑为配体，采用水热法制备得到ZIF-8/Ni，再在CVD管式炉中催化多壁碳纳米管生长，最终得到ZIF-8/Ni-CNT复合材料。

采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射分析仪（XRD）对材料的表面形貌和结构进行了表征，采用电化学工作站对材料的电化学性能进行了测试。

关键词：金属有机框架；多壁碳纳米管；纳米多孔碳材料；析氢反应中图分类号：TB 383 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2019)04-0012-04收稿日期：2019-01-04氢气是一种清洁和可再生的能源，作为传统化石燃料的极具吸引力的替代品，科学家们对其进行了深入研究。

电化学析氢反应（HER）是一种有效产生氢气的方法[1-2]，其中催化剂起了主导性的作用。

贵重的Pt 基纳米材料被认为是最有效的析氢反应电催化剂[3-4]，具有低过电位、小Tafel 斜率等优点，但它们的稀缺性和高成本严重阻碍了大规模工业化生产。

正是这些局限性，才使得其他具有高催化活性的廉价的HER 电催化剂得到了深入的研究和开发[5-6]。

多孔碳材料是制备功能材料的理想载体，具备非常多的优秀特性，如大的比表面积、均一的孔道结构、刚性的框架、优良的化学性质及良好的热稳定性等，因此在吸附、催化及电化学等领域具有广泛的应用[7]。

近年来，伴随金属有机框架材料的研究热潮，多孔碳材料应用于电化学催化的报道也越来越多。

Zhao 等[8]以ZIF-67为前驱体，合成了一种由ZIF67@ZIF8衍生的纳米钴包覆在核壳层的多孔碳材料，可作为一种高效的析氧电催化剂。

68 |  2019年3月差的大小(绝对值)，叫做超电势，记作η。

电流密度j是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量。

1905年塔菲尔发现了它们的关系，即塔菲尔公式(η=a+b*log|j|)，该公式适用于电流密度较高的区域。

a 和b 为两个常数，a 的大小和电极材料的性质、表面状态、溶液组成及温度等因素有关，根据a 值大小，可以比较不同电极体系中进行电子转移步骤的难易程度。

b值主要与温度有关，对大多数金属而言，常温下b 的数值在0.12V 左右。

在电解水析氢反应中，若电子转移过程在此反应中是慢速步，则被称为“迟缓放电机理”，其Tafel 斜率约120mV dec -1;若电化学脱附过程是反应中的慢速步，则被称为“电化学脱附机理”，其Tafel 斜率约40mV dec -1;若复合脱附过程是反应中的慢速步，则被称为“复合脱附机理”，其Tafel 斜率约30mV dec -1。

因此在电催化析氢反应中，我们可以通过Tafel 斜率的大小来推测电化学反应的动力学过程。

2 析氢催化剂的研究进展目前的电催化析氢催化剂主要有两种：一种是传统的粉末催化剂，该催化剂呈粉末状态，需使用粘结剂将催化材料固定到工作电极上，影响了催化剂与电解液的充分接触。

还有一类是自支撑催化剂，这类催化剂的活性组分直接原位生长在导电基底表面，这样可以避免粘结剂的使用。

粉末催化剂主要有硫化钼、硒化钴等，自支撑基底主要有碳布、泡沫镍等。

2.1 硫化钼在析氢反应的研究中，具有二维层状结构的硫化钼很受欢迎，但是硫化钼的导电性不高，使析氢反应的催化活性不够高，因此，研究者对硫化钼进行改造，将硫化钼制成不同形貌的纳米催化剂，使活性位点暴露增加[2]，提高了导电性。

此外，将导电碳材料掺杂在其中，提高硫化钼导电性的同时，还能调控硫化钼的生长。

2.2 硒化钴元素的结构决定它表现出的性质，硒(Se)和硫(S)都是第六主族元素，最外层都有6个电子，所以，金属硒化物也可能表现出与金属硫化物相似的析氢反应的活性。

镍铁双金属系列电催化材料的研究进展王雅;方志强;史晓雨;楚意月;郝召民【摘要】氢能源由于其成本低、可再生、绿色环保等优点,成为世界上公认的清洁能源之一.电解水则是目前最有潜力的提供氢燃料的方案之一,镍铁双金属电催化剂由于其来源丰富、成本低、清洁无污染且有较强的催化性能,得到了人们的广泛关注.本文主要综述了近些年来双金属镍铁氧化物和镍铁合金方面的发展与研究,对他们的合成方法,性能及其稳定性进行了深入探讨.【期刊名称】《化学研究》【年(卷),期】2018(029)006【总页数】4页(P638-641)【关键词】电化学;双金属镍铁电催化剂;析氢反应;析氧反应【作者】王雅;方志强;史晓雨;楚意月;郝召民【作者单位】河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004;河南大学化学化工学院,河南开封475004【正文语种】中文【中图分类】O613.72随着化石燃料的逐渐枯竭及其相关的负面环境影响，合理开发可再生资源是解决当前能源，实现能源结构调整并保证人类社会经济和环境可持续发展的重要条件，同时也是当前社会的迫切需要[1-2]. 纵观各种可替代的能源，氢能源是洁净的低碳、可再生资源，不但能量密度高，其燃烧的产物水几乎对环境没有影响[3]. 目前世界上大部分的氢气是以化石燃料为原料进行制取的，不仅消耗了大量的化石能源，而且对环境产生有害的气体. 电化学水分解则是公认的一个最有潜力的解决方案之一为未来全球环境污染和能源危机提供可再生清洁的氢燃料[4-5]. 电解水反应一般分为两类：析氢反应(HER)和析氧反应(OER)[6]. 两者的分离效率对整体水分解都非常重要. 因此，为了降低过电势，加快反应速率，提高能量转换效率,需要一个高效的催化剂去降低反应能量势垒. 已经尝试很多方法去提高对于电水解反应的效率，包括在酸性和碱性条件中，之后发现贵金属铂、钯、钌、铑催化剂在HER和OER 中能表现出高效电催化性能，降低反应所需电压. 但高成本，低资源限制了他们在析氢反应和析氧反应中的广泛应用. 所以当前在清洁能源领域一个主要的目标是去发现高效，廉价的非贵金属催化剂把水分解成氢.为了更有效地解决这个问题，许多科研人员把研究集中在双金属镍铁的电催化剂上. 镍铁在自然界中资源丰富且价格低廉，且人们研究发现双金属镍铁电催化剂具有良好的催化活性，低的过电势和优秀的稳定性，有利于电催化水的大规模产业化，符合国家一直提倡的发展绿色环保新能源的要求[7]. 本文主要综述了镍铁电催化剂近些年的研究进展，对他们的合成、结构以及电催化性能进行了分析和讨论，并对这些催化电极材料的性能进行总结与展望.1 镍铁合金对能量储存和应用的迫切需要，急需我们发展高效率，低成本的多功能电催化剂应用于电化学分解水. 由于NiFe合金催化活性高，稳定性好，电势低等优点，近些年来在电催化方面得到了突飞猛进的发展. 例如：在2017年XU等[8]报道了由直接镍基化修饰的镍/铁金属有机骨架衍生而成的NiFe-Se/c纳米棒作为高效率非贵金属电催化剂. 1 mol/L的KOH溶液中，在电流密度10 mA·cm-2析氢反应电压仅仅为160 mV、析氧反应为240 mV，且都表现出很高的催化活性. 同时，优化的NiFe-Se/c纳米棒的塔菲尔斜率为73 mV·dec-1，显著低于RuO2 (94 mV·dec-1), Ni/Fe@C(105 mV·dec-1) 和裸泡沫镍的(109 mV·dec-1)(如图1). 在这项研究中，虽然电压有所降低，但并没有达到我们理想中的电压值. 之后HAKHYEON等[9]在2017年，利用镍铁反纳米结构发现了高效率，低成本的镍铁双功能电催化剂应用于水分解反应，通过优化反纳米结构的厚度层，在1 mol/L 的NaOH中电流为10 mA·cm-2时镍铁(IO)能够降低OER和HER的电压分别到70、90 mV. 由于镍铁纳米材料催化性能的增强主要是依赖于多的活性位点和大的比表面积，反应物和产物主要在纳米多孔IO表面参与反应，有效减小了电子在高电位下的迁移率. 另外，2018年LIU等在工作中[10]，通过一个简单的途径合成了一类FeNi@N-GR纳米复合材料的多功能电催化剂.图1a显示了FeNi@N-GR催化剂的OER的极化曲线. 证明FeNi@N-GR核壳纳米结构在析氢反应和析氧反应中具有高活性和稳定性双功能催化，为设计电化学和其他可利用能源的多功能催化剂提供了一个新的途径.图1 LIU课题组测试的(a)OER极化曲线和(b)NiFeSe /C纳米棒、Ni/Fe OH、Ni/Fe @ C、IrO2和裸Ni泡沫在1 mol/L KOH中的对应塔菲尔图. (c)NiFeSe / C纳米棒在不同扫描速率下的极化曲线. (d)NiFeSe / C纳米棒在静态过电位为240 mV下的时间依赖电流密度曲线20 hFig.1 (a) OER polarization curves and (b) Corresponding Tafel plots of NiFe-Se/C nanorods, Ni/Fe-OH, Ni/Fe@C, IrO2 and bare Ni foam in 1.0 mol/L KOH. (c) LSV plots for the NiFeSe/C nanorods at different scan rates. (d) Time-dependent current density curve for the NiFeSe/C nanorods under a static overpotential of 240 mV for 20 h tested by the LIU’s group2 NiFeOx及其复合物由于Ni、Fe及其NiFe氧化物在自然界中拥有丰富的自然资源并且他们也是自然界中重要的半导体材料，近些年来被广泛地应用在很多领域. 另外他们具有价格低廉，催化活性高以及稳定性好等优点，被广泛用作电解水的电催化剂. 在电学、光学、以及磁学中，对材料的尺寸、大小以及一些微观结构都有比较严格的要求. 因此，很多课题研究致力于对镍铁氧化物的微观结构的研究. 例如:2018年我们课题组[11]在NiFe-MOF中密闭渗碳并进行二次煅烧，成功地合成了双金属NiFe2O4(如图2)，并通过XRD、XPS、SEM和TEM进行表征，合成的NiFe2O4化合物在碱性条件下展现了很好的催化性能与很高的稳定性. 从中我们可以得到启发，合成的NiFe2O4化合物将提高MOFs在非贵金属作为OER电催化剂中的应用.图2 HAO课题组合成的NiFe MOFs两步热处理制备NiFe2O4材料的示意图Fig.2 Schematic representation of the formation of NiFe2O4 materials through the two-step thermal treatment of NiFe-MOFs in HAO’s group 除了我们课题组做了研究外，其他研究工作者也做了大量的工作. 在2018年，KUMAR等[12]发现由镍铬青铜模拟金属-有机骨架制成的介孔氧化镍纳米立方体(NiFe-NCs)，可以作为一种有效的用于全解水的催化剂. 在该电催化材料中，具有200 nm侧边长度的NiFe-NCs中 Ni/Fe物质的量之比为3∶2，是NiO和α/γ-Fe2O3的复合物. NiFe-NCs在1 mol/L KOH溶液中，10 mA·cm-2的过电势处演示OER和HER的过电势是271、197 mV，优于具有类似组成的球形镍铁氧化物纳米粒，而当全解水时，在电流密度为10 mA·cm-2使用NiFe-NCs时只需1.67 V的电压. NiFe-NCs水分解催化剂表现出长期稳定的耐腐蚀性能，同时NiFe-NCs暴露的边缘和顶点处的活性位点对它们的整体催化性能起着至关重要的作用. 此外DENG等在2017年发现[13]，具有离散N掺杂石墨碳覆盖层的核壳NiFe纳米复合物可以用于增强水氧化，促进析氧反应. 被离散N掺杂石墨覆盖层的核/壳NiFe纳米复合物在析氧反应活性和稳定性方面增强，并具有低起始电位1.48 V，降低过电位320 mV·cm-1，小的塔菲尔斜率值41 mV·dec-1,优于Ir/C. 除此之外，2015年FOMINYKH等对铁掺杂氧化镍纳米晶在碱性条件下水分解的高效电催化剂作了相关研究[14]. 通过XRD和EDS测定了纳米颗粒的铁含量和组成(如图3)，结构分析显示Fe3+已进入NiO岩盐结构. 纳米颗粒在乙醇中的优异分散性使其可以在各种衬底上制备具有光滑表面的大约8 nm的均匀薄膜.Fe0.1Ni0.9O在电压为300 mV时具有高效电化学催化水分解性能，而且在电流为10 mA·cm-2时电压仅为297 mV，塔菲尔斜率为37 mV·dec-1. 其次通过溶剂热合成的超小、可结晶的NiO纳米粒(NPS)，发现其性能不太理想，当NiO纳米粒中加入20%铁时，发现其性能明显增强. 当纳米粒在电压为300 mV时展现的最高周转频率是1.9 s-1，对于百分之十的三价铁杂质，优于大量的铁镍氧化物和昂贵的稀土铱催化剂. Fe0.1Ni0.9O组成中粒子尺寸的降低和高结晶率使其长时间电解之后仍能稳定存在,有利于大幅度提高电催化活性和结构的稳定性.(a)概述纳米颗粒分散在TEM网格上. (b)单一的Fe0.1Ni0.9O纳米粒子的HRTEM 图像. (c)几十个Fe0.1Ni0.9O的电子衍射图样纳米颗粒.图3 KSENIA FOMINYKH 课题组测试的Fe0.1Ni0.9O纳米粒子(NP-10%)的TEM图像Fig.3 TEM images of the Fe0.1Ni0.9O nanoparticles (NP-10%)3 总结与展望由于镍铁在地球上拥有丰富的资源，且成本低易于获取，发展镍铁电催化剂在析氢反应和析氧反应方面具有巨大的应用价值. 尤其是镍铁合金、镍铁氧化物和镍铁双层金属氧化物近些年的发展，使得镍铁双金属电催化在低电压、低成本、低消耗、环境友好方面得到了很大进步，促进了电催化的进一步发展. 电催化剂从与贵金属性能的研究到与非贵金属的性能的发展，是研究过程中的重要突破，为电催化剂提供了更为广阔的发展空间.参考文献：【相关文献】[1] WANG C, WANG X, ZHANG X, et al. Hierarchically porous Ni3S2 nanorod array foam as highly efficient electrocatalyst for hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction [J]. Electrochimica Acta, 2015, 174(18): 297-301.[2] SUN X P, TIAN J Q, ABDULLAH M A, et al. Self-supported nanoporous cobalt phosphide nanowire arrays: an efficient 3D hydrogen-evolving cathode over the wide range of pH 0-14 [J]. Journal of America Chemietry Society, 2016, 72(21): 7587-7590. [3] MORALES-GUIO G G, STERM L A, HU X. Nanostructured hydrotreating catalysts for electrochemical hydrogen evolution [J]. Chemical Society Reviews, 2014, 43(18): 6555-6560.[4] ZOU X, ZHANG Y. Noble metal-free hydrogen evolution catalysts for water splitting [J]. Chemical Society Reviews, 2015, 44(15): 5148-5180.[5] COOK T R, DOGUTAN D K, REECE S Y, et al. Solar energy supply and storage for the legacy and nonlegacy worlds [J]. Chemical Reviews, 2010, 110(11): 6474-6502.[6] VESBORG P C, SEGER B, CHORKENDORFF I. Recent development in hydrogen evolution reaction catalysts and their practical implementation [J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2015, 6(6): 951-956.[7] GONG M, ZHOU W, TSAI M C, et al. Nanoscale nickel oxide/nickel heterostructures for active hydrogen evolution electrocatalysis [J]. Nature Communications, 2014, 5(15): 4695-4701.[8] XU B, YANG H, YUAN LC, et al. Direct selenylation of mixed Ni/Fe metal-organic frameworks to NiFe-Se/C nanorods for overall water splitting [J]. Journal of Power Sources, 2017, 366(17): 193-199.[9] SONG H, OH S, YOON H, et al. 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第53卷第4期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 4 2024年4月 Liaoning Chemical Industry April，2024薄层剥离黑磷纳米片改性金属钌纳米颗粒复合材料增强氢电催化性能柯小凤（温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035）摘 要：为了实现“碳中和”，氢能作为化石燃料的可行替代品引起了人们的广泛关注，但当前氢电催化主要依赖于稀少且昂贵的贵金属基催化剂。

因此开发高性能且具有成本效益的低含量或无贵金属电催化剂具有重要意义。

采用水热法和高温热解法制备薄层剥离黑磷（EBP）纳米片为载体的钌基纳米催化剂材料（Ru@EBP）。

采用SEM、TEM、AFM和XRD测试手段对材料的形貌及结构进行表征。

通过电化学测量其氢氧化（HOR）及析氢反应（HER）性能。

结果表明：Ru@EBP电催化剂具有优异的HOR/HER性能。

当电压达到0.1 V vs. RHE时，商业化Pt/C电流密度为2.5 mA·cm-2，而Ru@EBP可达到3.2 mA·cm-2。

同时，在0.05 V vs. RHE恒电位下，计时电流测试12 h后，电流值几乎保持不变，表明Ru@EBP具有优异的稳定性。

关 键 词：黑磷纳米片；钌基催化剂；Ru@EBP；氢氧化反应；析氢反应中图分类号：O643.36 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）04-0525-05随着氢经济的快速发展和其在燃料电池中的应用，氢反应引起了人们的广泛关注[1]。

因此，用于氢氧化反应（HOR）和析氢反应（HER）的高活性、低成本且长寿命的氢电极电催化剂已经被深入研 究[2-3]。

由于HOR/HER存在缓慢的动力学特点，稀缺且昂贵的 Pt被认为是目前活性最高的HOR/HER 电催化剂，然而Pt的高成本和稀少在很大程度上限制了其更为广泛的应用[4]。

在碱性电解质中，HOR 和HER反应动力学要比其在酸性电解质中慢大约2~3个数量级[5]。

碳基材料在电催化HER中的应用摘要：氢作为一种高燃烧热值的清洁能源载体,对于解决当前日益严峻的能源短缺和环境污染问题具有重要意义。

与传统的化石燃料重整制氢相比,电催化分解水作为一种清洁可再生的制氢工艺具有重要的应用前景。

但目前常用的电解水析氢反应催化剂多为贵金属基材料,储量稀少且成本高昂,因此开发低成本、高活性的非贵金属HER催化剂是当前该领域研究面临的重要挑战。

关键词：析氢材料；碳基材料；电催化析氢；应用前言：工业上，氢气制取技术主要是基于化石资源制氢和电解水制氢，它们分别占氢气产量的96％和4％。

基于化石资源制氢不仅消耗大量的能源，而且制氢过程中会产生大量具有温室效应的气体。

电解水制氢具有工艺简单、污染小、效率高以及产品纯度高等优点，但电极极化导致耗电量大，制氢成本高，一般在特殊场合小规模应用。

生物制氢、太阳能制氢以及电化学催化制氢等是近年发展起来的新型制氢技术。

生物制氢尽管原料来源丰富，环保节能，但对环境要求极高，难以实现大规模的工业生产。

目前太阳能制氢能量转化效率低，导致制氢成本过高。

电化学催化制氢是在电解水制氢的基础上，在阴极加入具有析氢催化活性的催化剂的一种新型制氢技术，不仅可以提高氢气产出速率，提高氢气产量，而且能够减少析氢电压损失，大幅度降低产氢能耗，是一种高效清洁的制氢技术。

随着近年来石墨烯、碳纳米管等材料的出现，其高导电性和高比表面积已经成为电催化析氢反应（HER）中催化剂成分的一种全新选择。

一、电催化析氢反应反应根据电化学理论，析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction，HER）的反应方程式可表达为：阴极: 4H2O+4e- 2H2+4OH-阳极: 4OH- O2+2H2O总反应: 2H2O 2H2+O2可能的HER动力学过程可表达为：(1)在酸性电解质中：H++e-+*→H*H++H++e-→H2+*(2)在碱性(或中性)电解质中:H2O+e-→H*+OH-H2O+e-+H*→H2+OH-+*式中“*”代表电极材料上的催化活性位点。

钴基电催化析氢催化剂的研究进展摘要：近年来，能源危机日益加重，化石燃料逐渐枯竭，因此寻找可持续且对环境无污染的化石能源替代品势在必行。

氢能也因此走向人们的视线。

它的制作原料只有水，而水不仅价格低廉而且水资源在地球十分丰富，且电解水制氢的产物是氢气和氧气，氧气对人类没有危害反而是人们生存不可或缺的，而且氢能不会像太阳能、风能、潮汐能一样受自然情况的影响，可以随时制备，因此可以说是化石燃料较为完美的替代品。

而制氢的方法我们通常采用电解水制氢。

而这种制氢方法需要添加一定的催化剂才能达到更好的效果，才能使原料水得到更充分的利用。

催化剂有很多种，但理想的催化剂应该有以下优点，（1）催化活性高（2）成本低廉（3）材料丰富易得（4）稳定性好。

而钴基化合物的成本低廉、稳定性较好，刚好符合理想催化剂优点，因此被人们广泛研究。

关键词：电催化；析氢反应；钴基化合物；电催化剂一、电催化分解水简介现在人们掌握的制氢技术主要有5种，分别是电解水、光解法、烃类蒸汽转化、醇类分解法、生物法。

这五种方法只有电解水的原料最为简单是水，且不受其他因素的影响，而水是无处不在的且对环境无危害，因此电解水制氢的成本也相对较低。

其他的方法如光解法和生物法都需要光照的支持，且电解水制出的氢气较纯，产量也较高，其他方法产生氢气的量可能较低。

电解水制氢实际上就是将电能转化为化学能。

1.1电催化分解水H2O=H2+O2是电催化分解水的总反应。

但直接电解纯净水有一定的弊端（即电解纯净水很难产生氢离子和氢氧根离子），因此我们通常会加入电解质来促进水的电离。

我们通常采用的电解质有氢氧化钠溶液、硫酸溶液、氢氧化钾溶液等，这些电解质也是实验室经常出现的且价格适中。

电解水在不同的条件下（环境或电解质的不同）总反应是相同的但阴阳两极会有不一样的反应。

碱性或中性环境中：阴极反应方程式：4HO(l)+4e-→2H(g)+4OH-(aq)阳极反应方程式：4OH-(aq)→O2(g)+2HO(1)+4e-酸性环境中：阴极反应方程式：2H+(aq)+2e-→H(g)阳极反应方程式：2H2O(l)→O2(g)+4H++4e-电催化的反应类型一共有两种。

在HER（氢析出反应）电催化中，有名的定理是Tafel定律。

Tafel定律是描述电催化反应速率与电极电位之间关系的基本规律。

根据Tafel定律，电催化反应速率(j)和电极过电势(η)之间存在线性关系，可以用公式表示为：j = k × exp(α×η)。

其中，k为Tafel斜率，α为Tafel因子。

Tafel斜率k反映了反应的速率常数，而Tafel因子α则与反应机理密切相关，反映了反应的电子转移步骤。

通过Tafel斜率和Tafel因子的测量，可以了解HER的电催化反应机理，评估催化剂的电催化活性以及反应动力学参数。

另一个在HER中著名的定律是Volmer-Weber定律，它描述了HER反应的初级步骤和反应过程。

这个定律通过分解出氢离子和氢原子两个中间态，给出了催化反应的电子转移步骤。

电催化析氢析氧反应
电催化析氢和析氧反应是电化学中的重要反应，涉及到两个半反应：阴极上的析氢反应（HER）和阳极上的析氧反应（OER）。

这些反应需要催化剂的参与以提高反应效率。

具体来说，这些反应包括：
1. 析氢反应（HER）：这是一个释放氢气的反应，通常在阴极上进行。

在适当的电位下，水分子被还原成氢气。

2. 析氧反应（OER）：这是一个释放氧气的反应，通常在阳极上进行。

在适当的电位下，水分子被氧化成氧气。

在实际应用中，催化剂的稳定性是关键因素。

由于这两个反应都需要在恶劣的电化学环境中进行，因此催化剂需要具有优异的稳定性才能在实际应用中可靠地工作。

例如，一种被研究的高熵合金（HEA）不仅对这两个反应具有高效催化作用，而且表现出良好的长期稳定性。

电催化析氢和析氧反应在许多领域都有应用，例如电解水制氢、燃料电池、电解池等。

在这些应用中，催化剂的性能直接影响到整个系统的效率和可行性。

因此，研究和发展高效稳定的催化剂是实现这些应用的关键。

如需了解更多关于电催化析氢和析氧反应的信息，建议查阅相关领域的专业书籍或文献。

电解水析氢her反应机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在概述部分，你可以简要介绍一下电解水析氢反应机理的背景和意义。

以下是可能的一种写作方式：概述:电解水析氢反应机理是一种重要的化学过程，通过电化学的方法将水分解为氢气和氧气。

这一过程被广泛应用于能源转化和储存领域，具有重要的科学、工程和环境意义。

在过去的几十年里，人们一直致力于开发和改进电解水析氢的技术，以满足日益增长的能源需求和环境保护的要求。

通过深入研究电解水析氢反应机理，可以帮助我们理解反应过程中的关键步骤和物质转化规律，为合理设计和优化电解水析氢技术提供指导。

此外，该研究还有利于发现新的催化剂和改进电解水析氢反应的效率和稳定性。

本文旨在探讨电解水析氢反应机理的基本原理、氢气的产生机理以及总结电解水析氢反应机理的研究进展。

同时，对未来的研究方向进行展望，以期提供对电解水析氢反应机理深入理解和技术发展的参考。

文章结构:本文主要分为引言、正文和结论三大部分，每个部分分别包含若干小节，具体如下:1. 引言1.1 概述在这一小节中，将介绍电解水析氢反应机理的研究背景和意义。

提出了水的电解是绿色能源发展中重要的一环，水的分解为氢气和氧气不仅可以作为可再生能源，还可以用于氢能源的存储和传递等方面，因此电解水析氢反应机理的研究具有重要的科学意义和应用价值。

1.2 文章结构这一小节将介绍本文的整体结构和内容安排。

首先会对电解水的基本原理进行阐述，包括电解水的定义和过程。

然后会详细探讨氢气的产生机理，涵盖了电解水析氢反应的化学反应机理以及催化剂在反应过程中的作用等方面。

最后，结论部分将对电解水析氢反应机理进行总结，并展望未来的研究方向。

1.3 目的在这一小节中，将明确本文的研究目的。

本文旨在系统地介绍电解水析氢反应机理的基本原理和关键环节，为深入理解该反应的机制提供一定的理论基础，并对未来的研究方向进行展望，促进相关领域的科学发展和应用推广。

2. 正文2.1 电解水的基本原理这一小节将详细介绍电解水的基本原理，包括电解水的定义、电解水的化学反应方程以及在电解过程中所涉及的电极材料和电解质等。

氧空位her电催化剂
氧空位型HER电催化剂是一种具有氧空位缺陷的电催化剂，通常采用金属氧化物材料制备而成。

这种催化剂在电化学反应中能够有效地促进氢离子的还原反应，从而加速氢气的生成。

氧空位型HER电催化剂的作用原理主要基于氧空位的形成和行为。

在催化剂制备过程中，金属氧化物材料中的氧原子可能会部分缺失，从而形成氧空位。

这些氧空位可以作为活性中心，捕获和转移电子，促进氢离子的还原反应。

在反应过程中，氧空位上的电子与氢离子结合形成氢气，同时催化剂表面上的空位被填充。

氧空位型HER电催化剂的优势在于其能够提高反应速率和降低反应能垒，从而提高氢气生成效率。

此外，这种催化剂还具有较高的稳定性和耐久性，能够在较宽的pH值范围内保持较高的活性。

目前，氧空位型HER电催化剂的研究主要集中在材料制备、性能优化和机理研究等方面。

通过优化催化剂的组成、结构和制备方法，可以进一步提高其催化活性和稳定性，为氢能源的应用提供有力支持。

her析氢反应异质结-回复题目：氢析反应与异质结的研究及应用引言：氢气作为一种清洁、可再生的能源，拥有巨大的潜力，并且在当前的可持续发展方向上起着重要的作用。

然而，氢气的制备和储存仍然是一个具有挑战性的任务。

因此，研究氢析反应的过程和异质结对此过程的影响变得非常重要。

本文将从氢析反应的定义和机制入手，探讨异质结对氢析反应的影响以及相应的应用。

一、氢析反应的定义和机制氢析反应是指水分解产生氢气的过程，其化学方程式为：2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)氢析反应可以在催化剂的作用下加速进行，其中最常见的催化剂是贵金属，如铂和铑。

催化剂通过降低水的解离能垒，促进氢气的生成。

在氢析反应中，水分子首先被吸附在催化剂表面，并且在加热或光照条件下，水分子分解成氢离子和氮离子。

随后，氢离子进一步还原生成氢气。

二、异质结对氢析反应的影响1. 异质结的定义异质结是指具有不同晶体结构或化学成分的两种或更多材料的界面。

采用异质结可以提供更多的反应位点，并且通过合理设计使得异质结能够调控催化剂的电子结构和电子传输效率。

2. 异质结的催化活性提升异质结的引入可以有效提高催化活性。

以金属催化剂为例，贵金属纳米颗粒与其他金属氧化物形成的界面可以形成晶格缺陷，从而提高反应活性。

此外，异质结还可以改变催化剂表面的物理和化学性质，提高催化反应的速率和选择性。

3. 异质结的电子传输效应异质结的形成可以改变催化剂的电子结构，进而影响反应的电子传输过程。

通过调节异质结的电子能级差和电子密度，可以改变催化剂的氧气还原活性，从而调控氢析反应的速率和效率。

三、异质结在氢析反应中的应用1. 光催化氢析反应采用光催化剂结合异质结可以实现光催化氢析反应。

例如，通过将光敏半导体纳米材料与贵金属颗粒形成异质结，可以提高光吸收和电子传输效率，从而增强光催化剂对水的分解活性。

2. 电催化氢析反应异质结也可以应用于电催化氢析反应。

在电解水过程中，引入异质结可以增加催化剂表面的活性位点数目，提高反应速率和能效。

电催化析氢反应原理
电催化析氢反应是利用电催化剂在电解水过程中催化水分子的水解反应，产生氢气和氧气的一种方法。

其核心原理是电子在电化学反应中转移，将外部电能转换为化学能，并在电极表面发生化学反应，从而实现氢气的产生。

在电解水的过程中，电催化剂用作催化剂，并通过调整电极电位以及优化反应条件来提高水分子的电解效率。

催化剂可以提高反应速率和产物选择性，从而使电解水过程更加高效和可控。

具体来说，电解水反应是在电解槽中进行的，其中含有两个电极，即阴极和阳极。

当外部电源接通后，阳极吸收电子，阴极释放电子，同时，在催化剂的催化下，水分子被分解为氧气和氢气。

设阳极反应为：2H2O → O2 + 4H+ + 4e-，阴极反应为：4H+ + 4e- → 2H2，场式为2H2O → 2H2 + O2。

完整反应为：2H2O → 2H2 + O2。

电催化剂的性质对电解水反应的效率和选择性产生重要影响。

一些有效的电催化剂具有良好的导电性和化学稳定性，同时具有很高的电解效率和催化活性。

这些性质使得这些电催化剂成为了催化水分解反应的理想候选材料。

除了催化剂的选择外，电解水反应的过程中还需要优化反应条件，例如反应温度、电极表面积、电解液pH和电流密度等。

通过调整这些条件，可以进一步提高反应效率和选择性。

总之，电催化析氢反应是一种绿色、高效、可持续的方法，可以实现低碳、高能源利用和节能减排目标。

未来，随着科学技术的不断发展，电催化析氢反应在能源转化领域的应用前景将会越来越广泛。