电解水制氢行业发展现状及常用解决方法

电解水制氢行业发展现状及常用解决方法

介绍

自上个世纪以来，水电解作为一种清洁高效的制氢方法受到了广泛关注。同时，随着新能源行业的快速发展，特别是2018年以来，世界各国政府纷纷加快发展氢能产业，相关促进氢能发展的政策相继出台。人们对通过电解水生产“绿色氢气”的需求更加迫切。

水电解反应由两个半反应组成，即电化学析氢反应（HER）和电化学析氧反应（OER）。水电解的两个半反应都需要高效的催化剂来驱动。常见的水电解催化剂为贵金属材料，如Pt、Ru、Ir等。贵金属的高成本和长期稳定性问题严重制约了水电解制氢产业化的发展。

目前常用的解决方案主要有两种：

一是寻找高效、低成本的催化剂来替代贵金属。

二是通过承载合适的载体来提高催化剂的稳定性。

镍铁基水电解催化剂自20世纪90年代以来一直是OER和HER领域的研究热点，由于其优异的OER和HER催化活性，镍铁基催化剂被认为是贵金属催化剂的替代品之一。

近年来，泡沫镍作为一种多孔、导电、易于加工的载体材料引起了研究者的关注。研究表明，使用泡沫镍作为OER和HER催化剂的载体，可以显著提高催化剂的催化活性和稳定性。同时，由于其成本低廉以及兼具镍的性能，将泡沫镍与镍铁基催化剂结合起来成为设计水电解催化剂的新思路。

成就

近日，青岛大学杨东江教授团队在《化学学报》上发表题为“NiFe-based on foam as for and”的综述文章，从理论和实验两个角度综述了基于泡沫镍的镍铁基水电解催化剂的最新研究成果。

首先介绍了评价OER和HER活性的常用参数，并总结了研究中常用的评价标准；其次从OER和HER两个方面介绍了泡沫镍与镍铁基催化剂联合应用的最新研究进展，包括合成策略、催化活性物质以及理论计算对催化性能的影响；最后对当前泡沫镍基底上镍铁基水电解催化剂面临的挑战和科学问题进行了展望。

图文导览

基于泡沫镍基底的镍铁基水电解催化剂

1. 评估参数

本综述简单介绍了评价OER和HER催化活性的常用参数。对于电催化性能最重要的参数极化曲线，常用的分析方法是在10 mA cm-2电流密度下比较过电位。但对于基于泡沫镍的催化材料，10 mA cm-2时电流密度较小，无法反映催化剂的性能差异。因此建议比较过电位时选取的电流密度尽可能大，如50 mA cm-2电流密度。Tafel斜率是确定OER和HER反应途径最常用的方法。电化学阻抗分析用于研究电极表面的反应动力学。标定电化学活性面积的常用方法是双层电容法，其结果可以更好地理解催化剂活性位的催化行为。转化频率可以反映催化剂的本征活性。稳定性是衡量催化活性的另一个非常重要的参数，尤其是在大电流下的结果更有说服力。

2. 基于泡沫镍的NiFe基水电解催化剂在OER中的性能

本综述总结了近年来基于泡沫镍的镍铁基OER催化剂的研究成果，详细讨论了其合成技术、杂原子引入及反应物真实相。常用的合成技术主要有水热法和电沉积法，前者合成的催化剂形貌规则，后者具有反应时间短的优势。结合泡沫镍的元素特性，还可以直接参与反应得到结合度较高的催化剂，得到的材料往往具有优异的稳定性，并能承载较大的电流密度。此外，杂原子的引入可以进一步提升镍铁基催化剂的OER活性，尤其是镍铁双氢氧化物的层间性质为杂原子的引入提供了空间。对于过渡金属磷化物、硫化物和氮化物，OER发生的真正相一直是人们争论的焦点，本文也结合多篇报道对其进行了分析和解释。

3. 基于泡沫镍的镍铁基水电解催化剂在HER中的性能

本文从不同pH值电解液的角度出发，对基于泡沫镍的镍-铁系HER催化剂进行了分类和总结，主要讨论了泡沫镍在酸性电解液中的催化稳定性、反应前后催化剂的形貌和结构变化以及铁在HER中的作用等。最后对利用理论计算模拟反应过程、活性位点的选择等方面的研究进行了总结和讨论。

概括

文章最后作者提出了如下建议：

（1）铁在催化过程中的作用还有待探索；

(2) 机理研究有待加强；

（3）实际活性位点仍有待确定。

文章資訊

化学杂志

NiFe 基泡沫

张伟、李、张、佘喜林*、杨*

共 39 页 (2019) 39-53

DOI: 10.1016/j..2019.01.017