电解水煤浆制氢技术研究进展

2016年第35卷第10期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·3129·
化工进展
电解水煤浆制氢技术研究进展
朱凌岳，王宝辉，吴红军
（东北石油大学化学化工学院，新能源化学与环境科学实验室，黑龙江大庆 163318）摘要：电解水煤浆制氢在能源消耗与产氢效率上都更优于电解水过程，并且在电解过程中可以同时达到对矿石能源净化的目的，是一种十分值得推广与发展的产氢新技术。

本文在综述电解水煤浆技术现状及特点的基础上，阐述了电解水煤浆制氢技术的原理，并以此为理论基础概述了反应温度、电解质种类、样品预处理对电解水煤浆制氢的影响，综述了国内外电解水煤浆电极材料的研究进展，并对电解水煤浆技术的发展现状和存在的不足进行了分析与展望。

指出电解水煤浆技术发展的重点方向为：降低电解水煤浆过程中的能量消耗，多使用可再生能源；深入研究反应机理，提高产氢效率，实现化学能与电能耦合向氢能的转变；改善电极的稳定性和耐腐蚀性，使电极更加耐久并降低电极成本；通过研究新型催化电极与催化剂来提高反应的效率。

关键词：水煤浆；电解；电化学；制氢
中图分类号：TQ 536 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）10–3129–07
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.016
Review on electrochemical splitting of coal water slurry for hydrogen
ZHU Lingyue，WANG Baohui，WU Hongjun
（Lab of New-Energy Chemistry & Environmental Science，School of Chemistry & Chemical Engineering，Northeast
Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China）
Abstract：Hydrogen generation from coal water slurry，which has a better efficiency in hydrogen production from coal water slurry than water splitting as well as purification of fossil fuels，is a worth promoting technology of hydrogen production. The basic principle of coal water slurry electrolysis based on its characteristics and current situations was discussed in this paper. The effects of the temperature，electrolyte and pretreatment of the sample were summarized according to the reaction mechanism of the electrolysis. The progress of the research on electrode materials in the electrolysis of coal water slurry was reviewed，and the present situation of electrolysis of water coal slurry technology and the existing problems were analyzed and prospected. The key direction of technology development was pointed out：①The energy consumption in the process of electrolysis of coal water slurry was reduced and the renewable energy was maximize used；②The mechanisms and kinetics of the reaction have been studied deeply with the purpose of improving the efficiency of hydrogen production，chemical energy and electricity；③Improve the stability and corrosion resistance of the electrode to implement the durable and the low-cost of electrode；and ④The efficiency of the reaction was improved by studying the new catalytic electrode and catalyst.
Key words：coal water slurry；electrolysis；electrochemistry；hydrogen production
由于全球性的能源危机，发展新的能源供应战略势在必行，至此许多新的能源方案在紧锣密鼓的研究中。

氢气，被认为是未来能源战略过程中的关收稿日期：2016-01-27；修改稿日期：2016-07-01。

基金项目：国家自然科学基金项目（21376049, 21306022）。

第一作者：朱凌岳（1987—），男，博士研究生。

联系人：王宝辉，教授，博士生导师。

*********************.cn。

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键，它对于未来能源系统的重要性被研究者及其论著讨论并且证实[1-3]。

氢能同电能一样被认为是一种能量承载者而并不是一种能量的初始来源，氢在自然界并不能以分子形式存在，而通常存在于水和碳水化合物中，由于水和碳水化合物在地球上的广 泛存在，所以对于生产氢气的原料是不存在限制的。

可以用于生产氢气的原料有很多，例如矿物燃料（煤、天然气、石油、生物质），水，一些含氢化合物（甲醇、乙醇、氨等），除此之外还有更多样的原料可以用来生产氢气。

截至目前，全球96%的氢气生产来源于矿物燃料及传统能源，其中48%生产来源于天然气蒸汽重整过程、30%来源于石脑油重整过程、18%来源于煤气化过程[4]。

随着氢能应用范围的扩大，为了有效满足对氢能的需求，相当长一段时期矿物燃料制氢还将是最主要的方法[5]。

虽然氢能被认为是一种洁净的能源，但是其生产过程并不清洁，伴随着对环境的负面影响，并且所使用的原料均为不可再生资源并且储量有限，所以目前的生产方式并不符合我国新时期环境保护与可持续发展的战略原则。

电解制氢是一种清洁可靠的制氢方法，其电能来源十分丰富，不单单来源于传统的不可再生能源（煤、石油、天然气等），还可以来源于再生能源（太阳能、风能、水能、潮汐能等）。

通过使用再生能源作为能量来源，可以使电解制氢方法成为一种可持续清洁无污染的氢能生产过程[6-7]。

目前，全球仅有4%的氢产量来源于电解方法，这远远低于传统的产氢方法，至此十分有必要对电解方法制氢进行进一步的研究与开发。

目前电解法制氢技术主要以电解水为主，根据水溶液中电解质的不同还有电解碱性水溶液[8]、电解固体氧化物[9]、电解聚合物[10]、电解硫化氢[11]、电解水煤浆[12]等方法，研究者们通过理论计算得出这些不同电解质的电解制氢方法的 标准电极电势分别为1.23V、1.8V、0.95V、1.8V、0.77V、0.21V。

可以看出电解水煤浆的电极电势最低，这说明电解水煤浆过程中需要更少的电能来 生成氢气，电解效率更高。

此外，诸如电解醇制氢、电解微生物制氢等含氢物质转化制氢的方法尚处于研究探索阶段，就目前应用而言，电解水煤浆是最为理想的电解制氢方法。

电解水煤浆制氢不但可以降低电解产氢的电解电势，并且可以提高产氢的效率。

煤的广泛来源与较低的开采成本使它完全可以作为用于电解产氢的理想原料。

电解水煤浆早在20世纪30年代便被研究者们提出，作为煤利用的一种新的方法。

通过进一步的研究，COUGHLIN和FAROOQUE[13]于1979年对电解水煤浆产氢进行了大胆的设想，从而为煤基制氢开辟了一条新的道路。

随后研究人员进行了很长一段时间的探索，并发现在酸性电解质中对水煤浆进行电解，可以在阴极得到高纯度的氢气，并且在电解过程中能够减少煤中所含的硫化物与灰分，这样既可以得到纯净的氢气作为氢能源，又对煤进行了净化，这正是一个高效的煤制氢方法，同样也是一种清洁的煤利用方法。

国内外的研究人员着眼于煤的电化学氧化研究也做了许多的工作，并且取得了很大的进展[14]，从动力学与热力学等多方面对煤电化学氧化深入研究[15-16]，为后续对水煤浆电解制氢技术的发展打下坚实的基础。

针对煤基高效清洁制氢方法，本文根据电解水煤浆制氢技术的研究现状与技术特点，从催化电极及电解条件两方面对该方法进行了综述与展望。

1 电解水煤浆的机理
由于煤复杂的化学结构与组成，导致电解水煤浆的机理十分复杂并且很难确定。

在过去的几 十年里，研究者们对此进行了一系列研究，COUGHLIN和FAROOQUE[17]、OKADA[18]等分别对石墨溶液与水煤浆在电解的作用下发生的变化进行了分析与研究，以此更好的理解煤在电解的作用下结构是如何变化的，实验过程中发现电解石墨溶液的电流要小于电解水煤浆的电流，这是因为石墨自身的惰性性质。

并根据分析得出水煤浆电解的反应可以用式(1)、式(2)来表示。

阳极C+2H2O—→CO2+4H++4e (1)
阴极2H++2e—→H2 (2)
其中阳极反应的平衡电极电势为0.21V，从热力学角度看，电解水煤浆所需要的槽电压要比电解水和电解NaCl溶液低得多[14]。

这里的关系式不能完全代表电解水煤浆发生的反应，这是因为煤结构在电解作用下发生的变化并没有被考虑。

换言之，很多研究者认为电解水煤浆过程是一个间接过程，在过程中存在着中间氧化物例如三价铁离子等。

事实上当煤的颗粒与阳极 发生碰撞的时候，煤已经在电极表面直接被氧化了。

当时对电解水煤浆的机理研究具有一定的局限性并且对于机理的理解并没有明显的提高。

因此，这一反应的研究停滞了20年。

此后，一些研究者提出阳极的氧化电流主要来源于二价铁离子由煤中含碳组
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分浸入到电解液的过程。

在阳极发生二价铁离子被氧化成三价铁离子的反应，在阴极发生了对质子的还原，将三价铁离子还原成二价铁离子并且作为了煤氧化的媒介[19-22]：
在电解液中4Fe3++C+2H2O—→4Fe2++CO2+4H+ (3) 阳极Fe2+—→Fe3++e(4)
阴极2H++2e—→H2 (5) 其中阳极Fe3+/Fe2+标准电极电势为0.77V，相比煤直接氧化生成二氧化碳的标准电极电势要高0.5V。

可以看出，阴阳极反应均是高效快速的电极反应，但是这并不能意味整个反应过程均是高效的。

如果仅发生二价铁离子的氧化，则体系的电流将随着时间按指数规律衰减，直到几乎为0。

而在恒电位实验过程中，开始电流缓慢衰减，随后电流下降得越来越慢，并在相当长一段时间保持一定的值，这充分的说明二价铁离子的氧化并非是煤浆电解氧化的唯一反应[15]。

如果煤浆的阳极氧化是按间接的电化学氧化催化机理进行的，那么，氧化还原电对在煤的氧化过程中是必不可少的。

首先是高价氧化态的离子对煤中的一些基团进行了氧化，形成分子量较低的有机物并附着在煤的表面上，然后其中的一小部分会进一步在阳极上氧化生成CO2。

二价铁离子被氧化成三价铁离子的标准电极电势为0.77V，与电解水煤浆实验的电解电势（0.75～1.0V）十分接近[17]，这更好地证明了铁离子在煤氧化过程中具有十分重要的作用。

通过电解方程式可以知道，二价铁离子在电解水煤浆的过程中发生了电化学氧化与化学氧化两种反应。

ANTHONY和LINGE[19]通过研究得出煤被三价铁离子氧化是一个化学反应过程并且不是一步反应具有明显的阶段性。

THOMAS等[23]对煤的阶段性氧化进行了进一步的研究，他们认为氧化反应发生在每一个煤颗粒的3个不同位置，分别是煤的外部表面、煤孔隙结构的内部表面和煤内部的母体上。

他认为煤在氧化反应初期的时候，氧化反应主要发生在煤的表面上，而随着时间的增加，三价铁离子进入了煤的孔隙结构，氧化反应也随之在其孔隙结构中发生。

经过相当长一段时间，三价铁离子侵入到煤的内部结构当中，伴随着对煤内部结构的氧化，并使煤的内部结构被破坏暴露出更多的表面空间与孔隙结构。

如果煤在被氧化的过程中只发生了化学氧化反应，而没有电化学氧化反应，那么整个反应与电解过程无关，进而使用的是何种电极也同样无关。

而SATHE和BOTTE等[24]在实验中比较了在两种不同电极（碳纤维电极和镀铂碳纤维电极）下的电解水煤浆反应，发现煤的氧化仅在碳纤维电极作用下发生，这说明煤的电解与电极有很大的关联，因此间接的证明了煤的氧化过程中，不单单有化学氧化同时存在电化学氧化。

OKADA等[18]研究了煤在4.15mol/L H2SO4中的氧化反应，得出在二价铁离子的存在下，阳极主要是二价铁离子的氧化电流。

如果体系中不存在二价铁离子，那么体系中主要的氧化反应是：①煤颗粒与电极表面碰撞直接被氧化成CO2；②从煤颗粒溶解到电解液中的组分发生电化学氧化。

这说明在没有二价铁离子存在的情况下，煤可以发生电化学氧化反应，从而更好地证明了电解水煤浆过程中煤不单单发生了化学氧化，并且伴随着电化学氧化过程。

公旭中等[25]认为煤中的矿物质起到了很大的作用，导致间接或直接的氧化。

公旭中等对褐煤煤浆进行电解实验并得到结果，认为矿物质在电解过程中通过在煤颗粒表面形成薄膜并作为金属离子迁移到电解质中参与到了电解反应。

另一方面，金属离子迁移到电解质中导致了电解水煤浆的电解电势降低。

根据对煤电化学氧化过程的研究，可以明确在电解水煤浆的过程中二价铁离子的氧化并非唯一的反应，而是发生了化学氧化并伴随一系列复杂的电化学氧化反应。

目前，电解水煤浆制氢所面临的困难是较低的产率与效率，如果能够对电解水煤浆的
反应机理更进一步的认识，有助于对水煤浆电解反
图1 电解水煤浆制氢（R n+/O m–为氧化还原电对）
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应条件的调控，从而可以通过改变反应条件来得到一个理想的产率与效率。

2 电解水煤浆制氢的影响因素
2.1 温度与电解电压的影响
若电解水煤浆制氢体系中没有铁离子存在，通过电解将煤氧化需要很大的电压，并且煤十分难被氧化。

而在铁离子存在的情况下，煤在较低的电压下既发生了氧化反应，并且生成氢气的量和电流密度随着槽电压的增加而增加。

当电压从1.0V增加到2.0V的时候生成氢气的量增加了1.5倍，同样的结果电流密度也增加了1.5倍，并且在较低电压时电流密度随电压的改变影响不大，当电压增加到0.7V 时，电流发生了很明显的变化，由此可以判断出煤发生了剧烈的氧化反应[26]。

根据COUGHLIN和FAROOQUE[17]的实验可以知道,生成氢气的量随着温度的升高而增加，并且指出高温（200～600℃）有利于煤中的有机物的氧化，但由于高温反应过程过于复杂并且难以控制，所以后续的实验多选择在较低温度下进行（40～100℃）。

在后续的研究当中，当槽电压为1.0V时，温度从40℃升高到100℃，氢气的生成量从143mL 提高到268mL；在槽电压为2.0V时，氢气生成量从386mL提高到了776mL，可以看出槽电压与温度对氢气的生成量有着很大的影响，并且可以通过对温度与槽电压的调整使氢气的生成效率更高[26]。

此外，电流密度也随着槽电压和温度的增加而变大。

这样的结果可以说明，提高温度和提高槽电压是提升水煤浆电解氧化制氢效率的有效方法，另一方面升高温度可以减少活化能，并且可以提高氧化反应的反应速率[27]。

此外，温度对煤粉在硫酸体系中的溶解性及电解液的电导率也有一定的影响[12]。

2.2电解质的选择
电解质的选择可以解决电解体系中的传质与供氢的问题，所以对于煤电化学氧化制氢的过程是十分重要的。

多数电解水煤浆制氢的实验选择使用无机酸作为电解质，例如硫酸、盐酸、高氯酸等[28-30]。

公旭中等[31]通过实验得出酸性条件下电解水煤浆的槽电压要比电解酸溶液的槽电压要低，并且其电压会随着电解水煤浆的煤阶的升高而升高。

印仁和等[32]在实验过程中选择硫酸作为电解质，发现电流密度会随着硫酸的浓度增加而增加，这也充分证明了酸性电解质对于水煤浆的电解反应有很大的促进作用。

在酸性电解液中，可以为电解水煤浆过程提供更多的氢离子从而可以促使反应向生成氢气的方向偏移，从而使生成氢气的效率提高。

并且酸性介质中更有利于二价铁离子的存在，增加二价铁离子与电极表面的碰撞概率，从而生成更多的三价铁离子与煤颗粒进行反应。

印仁和等[33]在接下来的实验中发现盐酸电解质更加适合电解水煤浆制氢，电解过程中有较硫酸更高的电解氧化电流。

这是因为氯离子更加容易被吸附在煤颗粒的表面，从而提高煤固体粒子从煤颗粒到阳极的迁移量，提高了煤固体粒子与电极的碰撞概率。

同时他还发现K3Fe(CN)6在盐酸电解质中对电解水煤浆反应有极好的催化效果，阴极可以收集到大量纯净的氢气，并且电解效率达到98%以上，具有很高的应用前景。

也有很多实验选择在碱性体系下进行，这是因为在碱性体系下煤具有较高液化率，可以在氧化过程中生成大量的腐殖酸作为附加产物，并且金属氧化物改性电极具有更高的催化活性[34-35]。

与在酸性水煤浆电解反应不同的是，煤在碱性介质中可以作为一种去极化剂，SENFTLE等[36]发现氧化反应优先发生于芳香层的边缘，产生碱溶性的组分，并且在电解过程中减少了煤中有机硫的含量。

王超等[37]用铅电极在DMF和EtOH混合电解液中对水煤浆进行电解，保持一个高溶解度和宽电压窗口状态，确保反应电流的稳定。

电解后生成氢气的量和液化量均有明显提高，煤的结构发生了明显的变化，这说明煤在有机电解质中也可以发生电解反应，并且生成氢气。

除此之外，还可以在电解过程中将煤直接液化，提高了水煤浆电解效率。

对于电解质的选择，需要根据实验中的其他条件与对反应产物的期望值判断，酸性、碱性与有机溶剂电解质在电解水煤浆过程中均有很好的效果，均可以在阴极得到纯净的氢气。

2.3 煤的预处理对水煤浆电解的影响
煤的预处理可以打破煤的网状结构，扩大煤表面的孔隙结构，增加被困在网络结构中的小分子有机物的流动性。

在进行实验前通常会对煤进行粉碎处理，这样可以大大减小煤的粒径，从而达到扩大其表面孔隙面积的目的[38]。

张磊[39]在其实验中讨论了煤粒径对水煤浆电解制氢的影响，他通过对原煤进行处理，并对处理后的煤样进行观察得到，煤球磨处理时间越长，煤颗粒的平均粒径越小，比表面积越大。

但是在电解实验过程中发现，并不是球磨时间越长的煤样其氢气产量最多，其分析这可能是酸性体系中，没有加入分散剂，过细的煤样在溶液
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中发生了团聚，导致煤样结块，减少了其比表面积，降低了反应速率。

因此对煤粒径的预处理需要适当，才能达到最好的反应效果。

微波预处理可以影响煤的组成、孔隙结构、煤阶、官能团以及煤的燃烧特性。

通过超声波对煤样进行预处理，这样可以强化固液传质，还可以巩固水煤浆的稳定性[40]。

KUZNETSOV等[41]利用电子束对煤样进行了预处理，发现电子束可以影响煤的加氢活性，并且在预处理过程中得到了可溶性小分子产品。

YANGAWA等[42]研究了Xe灯对煤的预处理，发现在Xe灯的照射下，苯对低阶煤的萃取率大幅提高。

这些辐照方法当中， 射线照射时能量最强并且投射能力最好，可以使已经结块的煤变成更小的煤颗粒同时释放出较小的分子，过程中伴随有水和过氧化氢的加入，有助于煤结构中的大分子的化学键断裂，并且有助于小分子的形成[43]。

许多研究者指出，对煤的预处理除了对其物理粉碎、微波处理之外，还可以通过溶剂溶解进行洗煤。

ABOUSHABANA等[44]在实验中指出酸消解和过氧化氢对煤预处理可以提高电解水煤浆氢气的产量。

这种方法可以改性煤表面的含氧官能团并且可以增加煤的表面积提高煤表面对于化学与电化学反应的可访问性。

其他有机溶剂也可以用于洗煤，例如在四氢呋喃、甲苯、吡啶、N-甲基吡咯烷酮和其他混合有机烃类溶剂的作用下，煤网状结构中的非共价键可以被破坏和释放，使煤由原来的大分子稳定结构转变成相对分子较小的易氧化结构，从而使电解过程中煤被氧化的反应更加容易进行[45-47]。

这些传统的溶剂易挥发、有毒，并且难以回收，因此要今后要开发更加高效、绿色、可回收的溶剂。

离子液体由于具有特殊的物理化学性质，例如低熔点、非易燃性、可回收性与很低且可忽略不计的波动性，已经被广泛使用为新型的溶剂。

萃取率和溶胀性实验结果表明[Bmim]Cl离子液体对于褐煤的预处理有很好的效果，经过处理后的褐煤进行电解，煤颗粒表面形成了松散堆积的结构，煤分子中的桥键发生了断裂。

处理后煤的液化率为57%要比原煤电解高13%[48]。

3 电解水煤浆制氢的高活性电极
要想使电解水煤浆制氢技术应用到实际，首先要解决的是如何提高反应速率。

而要提高反应速率的关键，则是寻求一种具有较高催化活性并且稳定的电极。

可以用作电极的材料有很多，但是要寻求一种高效并且要考虑到实际应用过程中的经济可行性的电极是十分困难的。

研究者们针对这一工作进行了很多研究。

3.1 金属和金属合金电极
FAROOQUE和COUGHLIN[17]在电解水煤浆的过程中只尝试使用了Pt和石墨两种电极，而且经过后人的实验，这两种电极在电解水煤浆的过程中的电流密度大小没有太大的区别，效果也不尽人意。

所以PATIL和BOTTE等[49]针对一些贵金属进行了实验，他们测量了多种电极在电解过程中的电流密度，以确定一种可以明显使电流密度增加的电极材料。

实验使用了Pt、Pt-Rh、Pt-Ir、Pt-Ru和镀铂的钛电极，通过对结果的分析得出，Pt-Ir电极表现最为突出，具有较高的电流密度，并且通过进一步调整优化电极的金属比例可以增强该电极的电解性能，实验指出Pt-Ir（60∶40）比Pt-Ir（80∶20）具有更高的电流密度。

在实验过程中，PATIL等[49]提出了在水煤浆电解的过程中二价铁离子和三价铁离子的正协同效应。

3.2 以碳纤维为基底的贵金属电极
接下来，BOTTE等[24]将贵金属附着在碳纤维上，形成一种以碳纤维为基底的金属催化电极。

在研究过程中，她发现Rh可以提高碳纤维的导电性并且可以稳定附着在碳纤维结构上的金属离子，同时碳纤维是一种很好的分散剂，可以用来增强对煤的电解氧化，这是由于碳纤维的层流结构可以有效的去除煤颗粒表面的氧化薄膜，防止煤颗粒结块。

她对不同的新型碳纤维贵金属电极（Pt、Rh、Pt-Rh、Pt-Ir和Pt-Rh-Ir）在恒电流作用下对煤和石墨的氧化效果进行了实验。

研究者们发现，无论在较高或较低的催化剂载量的情况下，Ir对电解石墨溶液和水煤浆均没有明显的影响，而单独使用Rh或者联合Pt或Pt-Ir使用并不利于水煤浆的电解反应，只有Pt和Pt-Ir有较高的催化活性。

在相同的载量情况下，实验表明Pt-Ir要更优于其他负载的金属并且要优于负载Pt的电极，这是因为Pt-Ir更加突出的抗腐蚀性。

最终研究者得出结论，附着Pt-Ir的碳纤维电极是一种较为理想的电解水煤浆制氢的电极，其具有很好的抗腐蚀性，在经过长时间电解后重量损失仅为1%。

在使用这些电极对水煤浆进行电解时，在相同的电解条件下生成等量氢气所需的能量要比电解水低50%，足以看出电解水煤浆制氢的高效性[50]。

3.3 钛基高活性催化电极
印仁和等[35]研究了Ti/Pt-Fe、Ti/TiO2-Pt和
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Ti/TiO2-Pt-Ru电极用于酸性介质中对水煤浆的电解氧化，并发现Ti/Pt-Fe表现的最为活跃。

Pt-Fe合金附着在钛板表面制成金属氧化物改性电极同样有很好的表现。

进而研究了(a)TiO2/Pt；(b)TiO2/Pt–Co3O4；
(c)TiO2/Pt–NiO；(d)TiO2/Pt–Co3O4–
NiO；(e)TiO2/Pt；and (f)TiO2–Cu/Pt。

Co3O4和NiO 的催化活性，通过对实验结果的分析NiO或Co3O4改性的TiO2/Pt电极具有最好的催化活性。

由于二氧化钛可以增强电极的导电性，所以可以用做电解水煤浆电极的基底，再将铂纳米颗粒均匀的镀在二氧化钛的表面上，既得到TiO2/Pt电极。

根据对实验收集到的气体进行分析，NiO和Co3O4对TiO2/Pt 改性的电极对煤的氧化活性最高，两种金属氧化物在电解过程中都可以生成羟基自由基，用来提高对煤的电化学氧化特性[51]。

印仁和等[52]还对钛基的还原阴极进行了研究，利用电化学阳极氧化与电沉积技术制备出了层状纳米TiO2／Ni–W–B电极。

该电极具有广泛的微观和光谱技术特点，电极的活性组分很容易被吸附在煤具有大比表面积的层状多孔网络结构中形成活性中心，从而促进了还原反应的进行与生成产物的扩散。

3.4 碳纤维双金属电极
由于所使用的贵金属在生产过程中会造成成本过高，所以仍然需要对电极材料进行更进一步的研究。

BOTTE等[53]研究了在碳纤维上附着双金属PT-Fe电极，合成后的Pt-Fe颗粒可以均匀的附着在碳纤维的表面。

BOTTE指出铁和铂对水煤浆的电解反应都有很好的催化作用，并且铁的引进可以大大减少电极的制造成本，为下一步实际应用的研究提供很好的基础。

在实验过程中，通过电化学测试表明，添加铁的催化电极相比于纯铂的催化电极具有更好的催化活性与转换活性。

并且指出，Pt-Fe以1∶1比例负载在碳纤维上的电极催化活性要比7∶3和3∶7比例的电极高。

4 结语
能源危机与环境污染已经严重的威胁我国的经济发展，对于氢能的研究与利用将是我国能源安全战略的重要保证。

同时根据我国的国情，煤炭的清洁高效利用已经是势在必行，如何能够清洁环保、高效地利用煤炭资源将成为煤炭领域研究的主要方向。

电解水煤浆制氢技术是一种十分重要的方法，如何能够提高效率减少能耗是技术研发的关键。

根据目前的研究现状，该技术未来应该针对以下几个方面着力研究。

（1）在研究高活性的催化电极的同时，应考虑改善电极稳定性与耐腐蚀性，使电极更加长效；研究资源更为丰富的电极材料，从经济性上考虑产氢成本，为技术能够工业化做铺垫；努力提高催化电极的选择性，强化反应的转化率，在产氢的同时，得到更多的化学产品。

（2）实现在温和的条件下得到尽量高的产品收率，尽量降低体系中外加能量的消耗，或应该考虑使用绿色可持续能源对体系中所需能量进行替换，例如太阳能、风能、水能等。

（3）通过各种分析手段对电解水煤浆的机理与动力学进行分析，从理论上剖析体系中的反应，从根本上提高反应的效率，实现化学能与电能耦合向氢能的转变。

（4）未来的实验应该集中在电极的耐久性测试以及催化电极与反应催化剂的研发，用以提高反应的效率，使这种高效清洁的煤利用技术能够真正应用到实际。

参考文献
[1] MUHICH C L，EHRHART B D，AL-SHANKITI I，et al. A review
and perspective of efficient hydrogen generation via solar thermal
water splitting[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews Energy & Environment，2016，5（3）：261-287.
[2] NAHAR G，DUPONT V. Hydrogen production from simple alkanes
and oxygenated hydrocarbons over ceria–zirconia supported catalysts:
review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2014，32（5）：
777-796.
[3] GAHLEITNER G. Hydrogen from renewable electricity: an
international review of power-to-gas pilot plants for stationary
applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2013，38
（5）：2039-2061.
[4] 于锋，朱明远，王绪根，清洁能源与储能研究发展前瞻——第二
届国际清洁能源会议评述[J]. 储能科学与技术，2014，3（5）：
457-470.
[5] 张海龙. 中国新能源发展研究[D]. 长春：吉林大学，2014.
[6] 杨文书，吕建宁，叶鑫，等. 煤化工二氧化碳减排与化学利用研
究进展[J]. 化工进展，2009，28（10）：1728-1733.
[7] 芦晴晴，高云芳，于丽丽. 电化学技术脱除煤及烟气中的含硫组
分研究进展[J]. 化工进展，2009，28（10）：1849-1854.
[8] 张开悦，刘伟华，陈晖，等. 碱性电解水析氢电极的研究进展[J]. 化
工进展，2015，34（10）：3680-3687.
[9] BHANDARI R，TRUDEWIND C A，ZAPP P. Life cycle assessment
of hydrogen production via electrolysis–a review [J]. Journal of
Cleaner Production，2013，85：151-163.
[10] SMOLINKA T，GŰNTHER M，GARCHE J. Stand und
entwicklungspotenzial der wasserelektrolyse zur herstellung von wasserstoff aus regenerativen energien[R]. Kurzfassung des Abschlussberichtes NOW-Studie，Freiburg im Breisgau，2011. [11] 李发永，曹作刚，张海鹏，由硫化氢制取硫磺及氢气扩大实验研
究[J]. 化工进展，2001，20（7）：38-41.
[12] 贾杰，隋升，朱新坚，等. 煤浆电解制氢的动力学研究[J]. 燃料化。