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Carbon Energy:石墨烯负载的非贵金属电催化剂在析氢反应(HER)中的研究进展

已有 671 次阅读 2020-1-10 13:44 |系统分类:论文交流



第一作者:Asad Ali;通讯作者:沈培康

通讯单位:广西大学

论文DOI:10.1002/cey2.26

 

【全文速览】

广西大学沈培康教授分析了石墨烯负载的非贵金属电催化剂在析氢反应(HER)中的应用。

 文章首先介绍了HER反应路径及电化学评估参数, 如过电位,电化学阻抗、Tafel斜率等;随后介绍了石墨烯负载的非贵金属催化剂在HER中的研究进展,如硫化物、碳化物、硒化物,氮化物等;最后,作者对其发展进行了总结和展望。


 

【研究背景】

氢具有最高的能量密度 (146 kJ g-1), 其在实现能源事业的可持续发展具有良好潜力,是推动全球能源安全、建设环境友好的理想载体。另一方面, 氢气是石油精炼和氨类肥料生产的化学原料。目前,大规模生产氢气的主要来源是以化石燃料为原料产生的蒸汽,其中蒸汽有CO2H2,但这种生产方式加速的化石燃料的消耗和CO2的排放。因此,寻找一种绿色、可再生、高效的方法用于生产大量H2是迫切需要解决的问题。近年来,电化学分解水已经广泛应用于生产超纯氢,实现碳的零排放,与风能、太阳能等可持续能源产生的电能并驾齐驱。

【内容概述】

1.HER反应路径:

电化学HER是一种阴极半反应,在酸性和碱性溶液中,反应路径有两种,VolmerHeyrovskyVolmerTafel

酸性溶液中,反应路径主要为:



碱性溶液中,反应路径主要为:


2.电化学HER评估参数:

过电位;Tafel斜率;电化学阻抗;TOF;法拉第效率;吉布斯自由能;稳定性

 

3.石墨烯负载的非贵金属电催化剂

在过去的几十年里,石墨烯负载的非贵金属催化剂的合成已经取得了很大的进展。非贵金属纳米片提供了相对大量的暴露的活性位点,但其较差的电子输运和固有电导率极大地限制了它们在催化应用中的应用。

另一方面,石墨烯的引入大大提高了电催化体系的织构和导电性。由于金属离子与石墨烯之间的强烈相互作用,合成的金属纳米颗粒尺寸更小,与大块金属相比具有良好的分散性,因此具有大量的活性位点。此外,活性金属与石墨烯的协同作用进一步促进了优异的电荷转移,从而提高了性能。

基于此,文章总结了石墨烯负载的非贵金属催化剂的研究进展,其中包括硫化物、碳化物、硒化物、磷化物、氮化物氧化物。总结了石墨烯负载非贵金属电催化剂作为贵金属纳米材料的替代物发展的前景和非贵金属纳米材料与石墨烯载体协同效应最大化的不同合成方法。


3 过渡金属碳化物(TMCs)中金属-碳相互作用的示意图。

 

4.总结和展望:

HER电催化剂在不同介质中的有效性值得引起关注。比较不同电催化剂的HER性能,不难发现,石墨烯支撑的非贵金属催化剂,如硫化物、碳化物、硒化物,磷化物、氮化物等在较宽的pH范围内产氢具有热力学稳定性。而石墨烯支撑的非贵金属氧化物主要在碱性介质中可行的。石墨烯载体可以极大程度上改善金属颗粒不受腐蚀并保持稳定。此外,用不同的电负性元素,即BN等对石墨烯进行化学改性,可以进一步改善其电催化性能。

基于此,作者提出以下几点观点:

1)电催化性能受到活性点密度和催化剂形貌的变化的影响,非贵金属纳米颗粒的组成和活性比值得关注。

2)虽然HER反应易进行,但其机理并没有被很好地从分子水平上解释。因此,迫切需要通过原位表征来阐明电催化机理。

3)开发理想的电催化剂(比如高效率、长寿命、稳定性、低成本、大规模商业化应用)将是关键目标之一。至今没有一个石墨烯负载的催化剂满足上述所有性能。

4DFT计算对设计电催化剂活性具有重要作用。它将帮助我们加深对石墨烯负载的非贵金属电催化剂工作机理的了解,以及在电解过程中设计如何保持活性和稳定性。这一基本认识将指导我们设计和优化性能卓越的石墨烯负载非贵金属电催化剂。

 


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