过渡金属硫化物电解水析氢/析氧反应电催化剂研究进展

摘要：

能源是现代工业和社会经济发展的源动力.现阶段,一次化石燃料为主体的能源结构导致人类社会的可持续发展面临能源短缺与环境问题的双重挑战.电解水技术可实现清洁可再生能源(如太阳能、风能及生物质能)与化学能之间的高效转化,是解决上述问题的有效策略.电解水由阴极析氢反应(hydrogen evolution reaction,HER)和阳极析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)两个半反应构成,由于反应动力学缓慢,两个半反应均需使用贵金属催化剂(Pt、IrO2、RuO2)来提升电能与化学能之间的转换效率,但贵金属资源稀缺性及高成本限制了其在电解水系统中的大规模应用.当前,碱性电解水制氢技术发展最为成熟,其具有结构简单、不需采用贵金属催化剂、在常温下即可进行高效制氢等优势,但其存在电解液腐蚀性强、工作电流较小、电解效率较低等问题.因此,发展高效、稳定、价廉的过渡金属基电催化剂是推动电解水规模制氢的关键,也是当前的研究重点.过渡金属硫化物因具有价态多变、资源丰富、成本低廉、耐碱腐蚀等优点,在碱性电解水反应中受到了广泛关注.本文综述了近年来过渡金属硫化物在碱性电解水析氢/析氧反应中的最新研究进展.首先,简要介绍析氢/析氧反应机理及催化剂性能评估参数.其次,从电催化性能提升角度出发,重点阐述过渡金属硫化物电催化剂的活性提升策略,具体包括:(1)基于电催化材料/电极结构(尺寸、维度、形貌)等特征优化策略,增加催化剂单位面积活性位点的数量、促进活性位点的暴露及物质传输,提升催化剂表观活性;(2)通过价态工程、杂原子掺杂、界面工程、缺陷工程等电子结构调变策略,提升催化剂的本征活性.最后,探讨了当前碱性电解水析氢/析氧反应过渡金属基电催化剂所面临的挑战,并对其未来发展方向进行了展望.

关键词：过渡金属硫化物、电解水、析氢反应、析氧反应、电催化

所属期刊栏目：67

分类号：O643.1;TE624.4;TQ426.8

资助基金：国家自然科学基金;国家自然科学基金;国家自然科学基金

在线出版日期：2022-08-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共16页

页码：2126-2141