过渡金属基电催化析氢材料的研究进展

环境工程

2019·02

143

Chenmical Intermediate

当代化工研究

技术应用与研究过渡金属基电催化析氢材料的研究进展

＊潘致宇

（金华第一中学 浙江 321000）

摘要：氢能是一种无污染的可持续新能源，因此具有广泛的应用前景。目前，电解水产氢是一种重要的制备高纯氢气的方法。为了高效

的电解水产氢，研究者开发出多种电催化析氢材料，主要包括过渡金属的硫化物、氧化物、碳化物和磷化物等四类非贵金属材料。本文综

述了上述四类材料的最新研究进展，并根据存在的问题提出展望，以期使该类材料能够尽快大规模应用。关键词：电催化析氢；过渡金属；硫化物；氧化物；磷化物

中图分类号：T 文献标识码：A

Research Progress of Transition Metal-based Electrocatalytic Hydrogen Evolution Materials

Pan Zhiyu

(Jinhua No.1 Middle School, Zhejiang, 321000)

Abstract ：Hydrogen energy is a kind of pollution-free and sustainable new energy, so it has a wide application prospect. At present, electrolysis

of aquatic hydrogen is an important method to prepare high purity hydrogen. In order to electrolyze aquatic hydrogen efficiently, researchers have developed a variety of electrocatalytic hydrogen evolution materials, mainly including four types of non-noble metal materials of transition metal sulfides, oxides, carbides and phosphides. In this paper, the latest research progress of the above four kinds of materials is reviewed, and the prospect is put forward according to the existing problems, hoping to enable the materials to be applied on a large scale as soon as possible.

Key words ：electrocatalytic hydrogen evolution ；transition metals ；sulfides ；oxides ；phosphides

1.引言

在当今社会，能源在生活中所占据的地位已经越来越高。没有能源，社会将无法发展，生活也将停滞不前。但是化石能源作为一种不可再生能源，储量即将告罄，急需替代品。氢能源作为一种热值大，使用无污染的新能源逐渐进入大家的视野中，也受到科学家们的广泛关注。

目前，对氢气最直接高效的方式是用于氢燃料电池，该种类型的电池与传统热能机具有显著的差别，其可以将化学能直接转换成电能，能够避开卡诺循环的限制，因此相对于传统热能机具有显著提高的能源使用效率。基于高效和环保的优点，氢燃料电池已经少量使用于汽车领域，而且随着该产业的持续研究与实际应用，在未来人类生活中将会使用越来越广泛。但是氢元素尽管储量丰富，却大多以水的形式存在，难以直接利用。

目前，在众多制氢工艺中，化石燃料重整制氢已经被大量使用，但是存在氢气纯度低和大量温室气体排放的问题。而通过以催化剂催化水电解制氢对能量的利用率较高，生产速度也较快，是一种良好的生产高纯氢气的方法。此外，还可以将风能、太阳能和潮汐能等产生的难以并入商业电网的电能通过电解来制备高纯氢气，因此是一种十分具有前景的制氢方式。

目前，以商业Pt/C为代表的贵金属催化剂展示出优异电催化析氢活性，但是该类催化剂成本高昂，稳定性较差，因此难以投入大规模生产。而以过渡金属基电催化剂（以过渡金属元素、碳、硫、氢、氧为主要元素）为代表的非贵金属催化剂的有效开发能够很好地避免上述成本问题。但是目前存在的主要问题是过渡金属基电催化剂的催化活性相对于贵金属催化剂较差，因此开发出高效稳定的高活性过渡金属基电催化剂成为大家关注的问题，接下来对该领域取得的最新研究进展分别进行介绍。

2.研究内容

目前，研究较多的是过渡金属的硫化物、氧化物、碳化物、磷化物等四类材料，本文分别对它们进行详细的介绍。

(1)过渡金属硫化物

过渡金属硫化物催化剂以硫化钼，硫化镍为代表，具有良好的电催化电解水制氢的速率和稳定性。Meng等采用水热法制备了二硫化钼材料，并通过优化制备工艺使其具有较好电催化析氢活性，其在电流密度为10mA/cm 2时过电位仅为200mV，此外该材料还展示出优异的电催化稳定性。He等采用水热法在泡沫镍基体上制备了Ni 3S 2@Ni复合材料，该材料展示出较低的电催化析氢过电位和较小的塔菲尔斜率，而且具有良好的HER稳定性。Fu等采用水热法以泡沫镍为基体，用表面硫化的方式制出了Ni 3S 2/Ni复合材料，该材料具有较低的过电势和塔菲尔斜率，体现了良好的电催化活性，同时展示出良好的稳定性，是性能优异的析氢催化剂。

(2)过渡金属磷化物

过渡金属磷化物，以磷化钴和磷化镍为代表，具有着较好的催化活性和稳定性，同时它们价格较为低廉，适于大规模的生产，因此有巨大的潜力。Yang等将冷冻干燥法制备的前驱体在惰性气氛下高温煅烧得到了Co 2P@N，P-C/CG复合催化剂，该催化剂展示出优异的电催化析氢活性，其塔菲尔斜率非常接近商业Pt/C催化剂，而且具有较大的交换电流密度。Wei等通过恒电位沉积法成功制备出了Co-P微米球复合材料，并对其进行了活化，该材料不仅具有很低的过电势，更是具有比商业Pt/C更低的塔菲尔斜率，在催化活性方面是首屈一指的催化剂，同时在强碱条件下具有非常好的催化稳定性。Jin等通过结晶相分离法将非晶的Ni-P纳米颗粒转化制出了具有中空多孔结构的Ni 3P-PHNs纳米球，该材料具有较小的过电位，其在10mA/cm 2电流密度下过电位仅为 85mV，同时也具有很好的催化稳定性。Li等通过对ZIF-67多