物理化学学报 >> 2016, Vol. 32 >> Issue (7): 1556-1592.doi: 10.3866/PKU.WHXB201604291

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水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展

常进法1,2,肖瑶1,2,罗兆艳1,2,葛君杰1,2,刘长鹏2,*(),邢巍1,2,*()   

  1. 1 中国科学院大学,中国科学院长春应用化学研究所,电分析化学国家重点实验室,长春130022
    2 中国科学院长春应用化学研究所先进化学电源实验室,吉林省低碳化学电源重点实验室,长春130022
  • 收稿日期:2016-03-21 发布日期:2016-07-08
  • 通讯作者: 刘长鹏,邢巍 E-mail:liuchp@ciac.ac.cn;xingwei@ciac.ac.cn
  • 作者简介:常进法, 1988年生. 2014年硕士毕业于燕山大学化学工程专业,现为中国科学院长春应用化学研究所(长春应化所)在读博士研究生.研究方向主要为发展燃料电池和水电解用非/低贵金属催化剂|肖瑶, 1990年生. 2012年本科毕业于吉林大学化学系,现为长春应化所在读博士研究生.研究方向主要为面向水电解的新型非/低贵金属催化剂的设计与研究|罗兆艳, 1991年生. 2014年本科毕业于潍坊学院化学化工与环境工程学院化学专业.现为长春应化所在读博士研究生.研究方向主要为水电解非铂以及低铂催化剂基础研究与应用|葛君杰, 1984年生. 2005年本科毕业于东北师范大学化学系, 2010年博士毕业于长春应化所物理化学专业.先后于美国南卡罗来纳州和夏威夷自然能源研究所从事博士后研究工作. 2015年回国加入长春应化所先进化学电源实验室,同年入选中国科学院‘百人计划’ .现为长春应化所研究员、博士生导师.研究方向为燃料电池基础材料与电池耐久性|刘长鹏, 1973年生. 1994年本科毕业于哈尔滨师范大学化学系. 2001年博士毕业于长春应化所物理化学专业.现为长春应化所研究员、博士生导师.燃料电池项目主要主持和完成人,先后负责承担并参加了科技部863计划、973计划、科学院知识创新工程、国家基金委面上、重点、吉林省科技厅等项目的研究工作.研究方向为燃料电池、水电解及电堆的工艺技术和性能改进|邢巍, 1963年生. 1987年本科毕业于浙江大学化学系, 1995年博士毕业于长春应化所物理化学专业,现为长春应化所研究员、博士生导师,先进化学电源实验室主任.研究方向为质子交换膜燃料电池和水电解实际应用.先后承担了国家973计划、863计划、科工委、科学院、国家自然科学重点和面上基金等多个项目
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21373199);国家自然科学基金(21433003);中国科学院战略重点研究先导项目(XDA09030104);吉林省科技发展项目(20130206068GX);吉林省科技发展项目(20140203012SF);吉林省科技发展项目(20160622037JC);外国专家聘用项目(WQ20122200077)

Recent Progress of Non-Noble Metal Catalysts in Water Electrolysis for Hydrogen Production

Jin-Fa CHANG1,2,Yao XIAO1,2,Zhao-Yan LUO1,2,Jun-Jie GE1,2,Chang-Peng LIU2,*(),Wei XING1,2,*()   

  1. 1 State Key Laboratory of Electroanalytica Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences University of Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, P. R. China
    2 Laboratory of Advanced Power Sources, Jilin Province Key Laboratory of Low Carbon Chemical Power Sources, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, P. R. China
  • Received:2016-03-21 Published:2016-07-08
  • Contact: Chang-Peng LIU,Wei XING E-mail:liuchp@ciac.ac.cn;xingwei@ciac.ac.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(21373199);the National Natural Science Foundation of China(21433003);Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDA09030104);Jilin Provincial Science and Technology Development Program, China(20130206068GX);Jilin Provincial Science and Technology Development Program, China(20140203012SF);Jilin Provincial Science and Technology Development Program, China(20160622037JC);Recruitment Program of Foreign Experts, China(WQ20122200077)

摘要:

氢能作为零碳排放能源是被公认的最清洁能源之一,如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的问题。电解水技术基于电化学分解水的原理,利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气,被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而,无论是光解水还是电解水,均需要高活性、高稳定性的非贵金属氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。本文介绍了我们研究所近三年在水电解方面的研究进展,其中着重介绍了:(ⅰ)氢析出催化剂,包括利用低温磷化过渡金属(氢)氧化物的方法制备过渡金属磷化物,同时过渡金属硫化物、硒化物以及碳化物等均被成功合成并被应用为有效的阴极析氢催化剂;(ⅱ)氧析出催化剂,主要包括金属磷化物、硫化物、氧化物/氢氧化物等;(ⅲ)双功能催化剂,主要包括过渡金属磷化物、硒化物、硫化物等。最后,总结展望了发展水电解非贵金属催化剂所面临的挑战与未来发展方向。

关键词: 水电解, 氢能, 非贵金属催化剂, 氢析出反应, 氧析出反应

Abstract:

Because of its zero-carbon emission energy, hydrogen energy is considered the cleanest energy. The greatest challenge is to develop a cost-effective strategy for hydrogen generation. Water electrolysis driven by renewable resource-derived electricity and direct solar-to-hydrogen conversion are promising pathways for sustainable hydrogen production. All of these techniques require highly active noble metal-free hydrogen and oxygen evolution catalysts to make the water splitting process energy efficient and economical. In this review, we highlight recent research efforts toward synthesis and performance optimization of noble metal-free electrocatalysts in our institute over the last 3 years. We focus on (1) hydrogen evolution catalysts, including transition metal phosphide, sulfides, selenides, and carbides; (2) oxygen evolution catalysts, including transition metal phosphide, sulfide, and oxide/hydroxides; and (3) bifunctional catalysts, mainly comprising transition metal phosphides, selenides, sulfides, and so on. Finally, we summarize the challenges and prospective for future development of non-noble metal catalysts for water electrolysis.

Key words: Water electrolysis, Hydrogen energy, Non-noble catalyst, Hydrogen evolution reaction, Oxygen evolution reaction

MSC2000: 

  • O646