基于碳纤维材料基底的电解水制氢催化剂的研究进展.pdf

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1、第44卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第9期2016年9月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1447—1457DOI：10．11895／j．issn．0253-3820．160341基于碳纤维材料基底的电解水制氢催化剂的研究进展佟珊珊王雪靖李庆川韩晓军(西北农林科技大学理学院，杨凌712100)(哈尔滨工业大学化工与化学学院，城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150001)摘要电解水制氢技术是未来获得清洁氢能源的有效途径之一。铂作为高效的电解水制氢催化剂，由

2、于其价格昂贵，难以回收，不利于氢能源与氢经济的发展，因此发展高效的非贵金属电催化剂，使电解水制氢过程更加高效、经济化是十分关键的科学问题。本文综述了近年来电解水制氢催化剂的研究进展，重点集中在以碳纤维材料为基底的非贵金属催化剂领域。总结了几类重要的多相异质非贵金属催化剂，包括磷化物、硫化物、硒化物、碳化物、氧化物催化剂等，重点探讨了各种析氢催化剂的合成方法和性能提高策略。同时，本文也简要概述了碳纤维基底材料在电分析化学检测方面的应用研究。关键词电解水制氢；析氢反应；碳纤维材料；碳布；碳纸；综述1引言依赖化石燃料获

3、得能源对经济影响巨大，化石燃料的过度使用不仅污染空气，更加剧了全球气候变暖⋯。因此，亟待寻找清洁、可持续的新能源来替代化石燃料]。在各种能源中，氢气不仅是一种能源，而且是储存和转移能源的载体。当前工业上有3个主要途径获得氢气：甲烷水蒸气重整、煤的气化和电解水。前两种是制备氢气的主要方法，依赖化石燃料。电解水制氢是一种可持续制氢的方法，因其原料为地球上储量丰富且可回收的水J。氢能源在交通运输上的潜在应用也引起了广泛关注，由氢能源驱动汽车基本实现零污染，汽车制造商对氢能源汽车的开发使氢能源需求增加，因此迫切需要发展环

4、境友好、低成本的大规模产氢技术。电解水制氢可满足要求，但是其催化剂成本高，因而制约了其发展，所以开发地球上储量高、效率好的非贵金属催化剂是十分必要的。研究者积极探索非贵金属催化剂，并在纳米科学与技术的帮助下取得了丰硕成果¨。基于纳米材料的电催化剂催化性能受其分散性的影响，如石墨烯、硫化钼、硫化钨等，这些片层材料容易产生褶皱，形成团聚体，边缘活性位点难以发挥作用，限制其应用¨，"]。为了解决上述问题，研究者尝试以碳纤维材料和泡沫金属网作为基底和电极材料，如碳布、碳纸、泡沫镍等，得到稳定的三维立体纳米结构以提高其催化

5、效率，且碳纤维或泡沫镍可直接作为工作电极应用在电催化领域，形成了特殊的无粘合剂电极。传统催化析氢的电化学实验是将催化剂与Nation混合液超声分散后，涂在玻碳电极表面，待溶液自然晾干后进行测试。与传统方法对比，采用无粘结剂的电极简单方便、价格低廉，且催化剂的立体结构能充分发挥其性能。碳布、碳纸、泡沫金属网等材料直接作为析氢反应工作电极已引起了研究者的广泛关注。本文综述了非贵金属催化剂在电解水制氢反应领域的最新研究进展，主要集中在碳纤维材料作为基底电解水制氢领域，并详细总结了析氢电催化剂的合成方法，性能提高策略等。

6、2电解水析氢的电化学电解水装置有3个重要的部分：电解液、阴极、阳极。析氢催化剂和析氧催化剂分别涂在阴极和阳极上，以加速电解水反应。当施以外加电压后，水分子分解为氢气和氧气，整个反应可分成两个半反应：2016-04-27收稿；2016-05-31接受本文系国家自然科学基金(Nos．21505106，21511130060，21528501)与城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题(No．2014DX09)项目资助E-mail：hanxiaojun@hit．edu．cn分析化学第44卷水氧化(析氧

7、反应)和水还原(析氢反应)。电解水反应可发生在不同介质中，其反应式可用不同的化学方程式表达J：总反应：H20—一H2+1／202(1)酸性溶液中：阴极2H+2e一H2(2)阳极H20H+1／202+2e一(3)中性和碱性溶液中：阴极2H2O+2e一H2+20H一(4)阳极20H一一H20+1／202+2e一(5)无论反应发生在何种介质中，其热力学电压均为1．23V(25~12，1atm)。当施加电压大于理论热力学电压才能实现电化学电解水，这种额外的电压称为过电位叼，包括阳极过电位(77)、阴极过电位(叼)、其它过

8、电位(卵。。)。叼主要是克服溶液电阻和接触电阻产生的电位，因此电解水的实际操作电压(E。。)可表示为¨引：E。。=1．23V+r／+r／+r／。h。(6)从方程可以看出，用合适的方法减小过电位是关键问题，其中Tother可以通过优化电解池来减小，而减小叼和则可通过使用高效的析氢和析氧催化剂来实现。因此，开发高效的催化剂可降低电解水过程的成本。此外，有效的电极面积是决定反应