层状过渡金属氢氧化物应用于碱性氢气析出反应

• 作者: 刘乾锋 孙公权 王二东
• 来源期刊: 催化学报
• 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
• 年，卷（期）: 2020,（4）
• 所属期刊栏目: 综述
• 页码范围: 574-591
• 页数: 18页
• 字数: 1346字
• 语种: 中文
• DOI: S1872-2067(19)63458-3

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.