金属有机框架基材料电解水制氢研究进展

化石燃料的应用带来了温室效应等环境问题。氢能源被认为是代替化石燃料的清洁能源之一。电解水制氢对环境不产生二次污染,因此,探索用于析氢反应的高效电催化剂是人类积极面对的课题。金属有机框架(Metal Organic Framework,MOF)基材料在电解水过程中具有良好的催化性能,有望代替贵金属电极。着重综述了MOF基材料的析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)和析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)性能,总结分析了当前设计此类MOF基电极材料的新思想。     

分级三维结构高活性自支撑NiOxHy电化学析氧催化电极制备研究

氢能技术是当前最具前景的洁净能源技术之一,而电解水制氢作为其中的关键一环,其阴阳极的两个半反应对贵金属的过分依赖极大地限制了电解水技术的商业化应用。为寻求低成本、耐用和高效的替代材料,以泡沫镍为镍源,使用苯甲醇作为有机溶剂,在水热条件下实现泡沫镍表面的有机无机界面反应,生长得到了分级三维结构NiO_xH_y。这种分级三维结构可以增加自支撑催化电极的电化学析氧反应(OER)活性。同时,由于NiO_xH_y是原位生长在泡沫镍基底上,催化剂表现出卓越的稳定性。通过一系列的电化学测试可知,得到的NiO_xH_y是一种高活性、高稳定性的碱性OER催化剂,具备在商业电解池中使用的潜力。     

固体氧化物电解水制氢系统效率

电解水与高效清洁一次能源耦合制氢,是理想的大规模制氢技术。该文建立了电解水制氢系统效率评估模型,并通过该模型对碱性、固体聚合物电解池(SPE)及固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统总制氢效率进行了计算与分析。碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%;而SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%,分别是SPE与碱性制氢系统的1.5和2倍。高温气冷堆耦合的SOEC电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。     

高温气冷堆耦合高温电解规模化制氢系统仿真

随着能源体系变革，氢能在能源系统中发挥着越来越重要的作用，绿色化、低碳化制氢技术日益受到关注。高温气冷堆耦合高温电解制氢技术是一种具有潜力的零碳排大规模绿氢制备技术。该文提出了热功率为250MW,氦气出口温度分别为750和950℃的高温气冷堆与高温电解制氢系统的耦合策略，建立了全流程ASPEN仿真模型，并分析了系统热电比对制氢产能和能耗的影响规律，据此评估并探讨了制氢成本及成本降低策略。结果表明：750和950℃制氢系统的最大氢产能分别为28108和35160m³/h。在最大氢产能下，750℃制氢系统的耗电量和耗热量分别为3.73和0.49kW·h/m³,总能量转化效率为40.1%;950℃制氢系统的耗电量和耗热量分别为3.11和0.56kW·h/m³,总能量转化效率为50.2%。提升电解制氢模块的电流密度可显著降低制氢成本，电解模块阳极耦合制备油品等高附加值化工品一方面可以分摊制氢成本，另一方面可以拓展核能高温电解应用场景。     

基于Fluent的水电解槽电场数值模拟

为探究电解水制氢电解槽内部各组分对电解效率的影响,得到电解槽的内部电场分布,对水电解的电化学理论进行了研究,利用Fluent软件建立了作为堆栈水电解槽的单槽全尺寸、流体通道模型,对建立的模型仿真模拟,得到其电压密度、电流密度分布云图,并对结果进行分析.分析发现:氢气首先产生于阴极催化层,主要集中于扩散层,再逐渐扩散至流体通道,经流体通道传输至水电解槽外部.同一流通平面上氢气质量分数与该处电流密度成正比,其中阴极电极与扩散层接触区域附近电流密度最大,且该处区域氢气质量分数达到最大值.该研究为提高水电解制氢效率、进行电解槽的结构设计提供参考.     

金刚石电极在电解水制氢中的应用

掺杂金刚石电极电势窗宽,用于电解水制氢,产氢率高,电极有很强的防腐功能,可以进行电解法污水处理,结合太阳能电池、燃料电池可以构成绿色能源环保系统.     

高效质子交换膜电解水制氢技术研究进展

从技术原理、研究进展、系统集成和经济性分析四个方面阐述了质子交换膜电解水制氢技术(PEMWE)的研究进展与发展前景．介绍了PEM电解水制氢技术中阴极和阳极的化学反应及影响条件．分别从质子交换膜的结构优化、PEM阳极催化剂的选型、膜电极的结构优化及制备、双极板的性能提升及表面改进、电解池传热传质及流场结构等方面进行了总结．系统集成主要着眼于电解池的动态响应特性和与可再生能源的结合,最后对PEM电解池进行了经济性分析．助力推进质子交换膜电解池研究和技术的进步．     

固体氧化物电解水制氢系统效率

电解水与高效清洁一次能源耦合制氢,是理想的大规模制氢技术。该文建立了电解水制氢系统效率评估模型,并通过该模型对碱性、固体聚合物电解池(SPE)及固体氧化物电解池(SOEC)制氢系统总制氢效率进行了计算与分析。碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%;而SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%,分别是SPE与碱性制氢系统的1.5和2倍。高温气冷堆耦合的SOEC电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。     

镍铁基层状双氢氧化物析氧反应研究进展

近年来,能源危机、环境污染等问题导致了人们对开发高效清洁能源的迫切需求。氢气作为一种具备广泛应用前景的可替代能源,可通过电解水制备。然而,电解水制氢过程主要受制于阳极缓慢的析氧反应（oxygen evolution reaction,OER）过程。镍铁基层状双氢氧化物（nickel-iron layered double hydroxide,NiFe-LDH）由于其具备独特的层状结构、成本低廉、含量丰富且催化性能优异等特点,近年来被广泛研究。综述了通过晶格掺杂、空位缺陷和表面修饰对NiFe-LDH化合物进行改性的最新研究进展,简要讨论了改性NiFe-LDH化合物研究过程中遇到的挑战和前景。     

金刚石电极在电解水制氢中的应用

掺杂金刚石电极电势窗宽，用于电解水制氢，产氢率高，电极有很强的防腐功能，可以进行电解法污水处理结合太阳能电池、燃料电池可以构成绿色能源环保系统。     

天然气制氢的园区综合能源系统氢储能优化配置

在我国致力于实现碳达峰、碳中和的要求下,氢能因具有零碳排高热值的特点,氢能产业发展成为我国未来发展的重要目标。针对电解水制氢储能的工业园区综合能源系统能量转换效率不高、制氢量少、经济效益低的特点以及国家对氢能发展大规模低成本制氢的需要,提出了一种以天然气制氢模式代替电解槽制氢的氢储能园区综合能源系统架构。在分析天然气水蒸气重整制氢单元的能耗与能量回收利用以及氢储能单元电、热、气多种能量特性的基础上,建立了天然气制氢储能的氢储能模型;进一步考虑设备投资成本、运行成本、碳排放价格以及制氢效益,以年化投资成本最小与年运行收益最大为目标建立目标函数,利用快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）进行求解,提出了以天然气制氢储能的园区综合能源系统氢储能优化配置模型。最后以新疆某园区为实际算例分析了园区配置氢储能后电源、电负荷、热负荷特性,运行经济效益以及天然气价格与碳排放价格对配置的影响,验证了通过配置天然气制氢的氢储能提升园区综合能源系统制氢量与运行收益的可行性,并指出了适用场景。     

燃料电池汽车能耗、排放与经济性评估

针对电解水制氢路径,深入讨论不同发电方式对燃料电池汽车全生命周期的影响;对不同发电方式下电解水制氢路径的燃料电池汽车采用GREET软件进行能耗、排放、环境影响和替代效益的建模及仿真计算;对不同发电制氢路径的燃料电池汽车综合成本进行计算和分析.结果表明,风能发电电解水制氢路径的能耗和排放最低,对环境最为友好,且经济效益相对较高,是目前实现绿色、高效使用燃料电池汽车的最可行路径.     

面向能源转型的化石能源与可再生能源制氢技术进展

氢能是来源丰富、绿色低碳和应用广泛的二次能源,正逐步成为未来能源绿色转型发展的重要载体之一,是现有能源形式的有益补充,也是未来能源体系的重要组成部分。该文介绍了清华大学能源与动力工程系在制氢领域取得的基础研究和应用开发的系列成果。在碳氢燃料重整领域,合成了烧绿石负载型重整通用催化剂,开发了全系列重整制氢样机;在中温氢气净化领域,提出了中温净化新途径并合成了覆盖全温区的氮基活性炭疏水吸附剂及水滑石基吸附剂,完成了中温变压吸附H₂/CO₂分离技术示范;在可再生能源电解领域,依托固体氧化物电解池实现了二氧化碳与水共电解制取燃料、升高反应温度以降低水理论分解电压,从而缩减了碱水电解能耗。发展制氢技术是氢能燃料电池产业的首要技术环节,有助于推进未来能源利用方式变革,是构建低碳、安全和高效现代能源体系的重要举措。     

电沉积铁钴镍基催化剂及其氧析出性能的研究

能源需求的不断增加以及有害气体的排放带来了一系列能源和环境问题,寻求一种高效可持续的清洁能源来代替传统的石油迫在眉睫。作为最有前途的清洁能源,氢气可以通过电解水的技术制得,但是电解水的反应效率受到了氧气析出反应(OER)缓慢动力学的限制,因此发展具有高性能OER的电催化剂对电解水制取氢气的广泛应用具有积极的推动作用。Fe、Co、Ni等过渡金属氧化物或氢氧化物具有多种氧化态,可以促进反应中间体的结合,是优异的OER催化剂。采用电沉积的方法在碳布(CC)衬底上制备了Fe、Co、Ni的氢氧化物纳米片,对金属之间的比例进行了优化,最终得到的Fe₂Co₁Ni₂/CC催化剂具有良好的OER性能,当电流密度为10 mA·cm^-2时所需要的过电势较小,仅为285 mV。所得Fe₂Co₁Ni₂/CC还具有良好的稳定性,有望用于商业化电解水制氢气。     

过硫酸盐增强ZnO@N,C-Co3O4光电催化降解四溴双酚A的性能研究

过硫酸盐活化技术作为一种新型高级氧化技术,与光电催化技术耦合后能够显著提高材料对污染物的降解性能. 通过水热法研制ZIF-67/8的衍生材料ZnO@N, C-Co₃O₄,显著拓宽ZnO的光吸收范围至可见光区域,并且有效抑制光生载流子的复合. 对复合薄膜电极的化学组成、形貌特征、光吸收性能进行表征,研究了光电化学性能. 研究表明:薄膜电极在过硫酸盐增强光电催化体系中对四溴双酚A(TBBPA)的降解率最高达97.2%. 过硫酸盐活化技术和光电催化耦合显著增强ZnO@N, C-Co₃O₄对TBBPA的催化降解效率. 提出了过硫酸盐增强光电催化降解TBBPA的机理,硫酸根自由基和羟基自由基是该体系的主要活性物种.     

电催化CO2与有机化合物耦合制备增值化学品

在温和条件下, CO₂的高效固定利用是“绿色碳科学”的重要组成部分之一.电催化CO₂与有机化合物耦合在转化利用CO₂的同时可以制备增值化学品,有利于可持续发展.本文概述了目前电催化CO₂与各类有机分子耦合制备有机羧酸、碳酸酯、氨基甲酸酯等化学品的方法.并介绍了该领域的最新研究进展和机遇:不对称电羧化反应,包括手性源的构建;其他反应物的新型反应,包括电化学开环羧化和N-甲基化反应;非牺牲阳极的电羧化反应,包括阳极氧化反应的构建和电解池的调整等;成对电合成反应等.     

掺杂元素对锰混合氧化物阳极析氧抑氯性能的影响

对具有析氧抑氯选择电催化性能的海水电解制氢用绿色环保阳极材料进行了研究. 采用阳极电沉积法在Ti/IrO2基体上获得γ-MnO2氧化物涂层钛电极,在镀液中掺杂其他元素进行阳极电沉积,获得了MnV、MnCr、MnMoFe和MnFeV混合氧化物涂层钛电极. 模拟海水电解实验表明,掺杂元素显著提高锰氧化物涂层钛电极析氧抑氯选择电催化性能,MnFeV电极的析氧效率达到100%,可以满足析氧抑氯选择性电催化性的要求. 结构分析结果表明,掺杂后的锰氧化物电极形成了具有掺杂V、Fe的γ-MnO2相结构的混合氧化物Mn(Fe,V)O2,Mn(Fe,V)O2中金属以Mn4+、V5+和Fe3+形式存在,与氧形成了非定比化合物(Mn,Fe,V)Ox. Fe和V等掺杂元素起到细化晶粒和提高晶格畸变能的作用,有效地提高了电极的析氧抑氯电催化性能.     

三维电解法处理难降解废水中的粒子电极研究进展

在工业生产活动中排出的难降解废水污染物浓度高、毒性大且可生化性较差,对人体和环境造成了严重危害。三维电极体系是在传统二维电极体系中填充粒子电极使得污染物在粒子电极和电极板表面发生反应,具有降解效率较高、操作简单、绿色环保等优点。文章对三维电极体系中粒子电极的分类、负载改性方法、负载物以及降解机理进行了综述,并对粒子电极的制备、改性优化和应用前景进行了展望。优化粒子电极能提高其电解效率,降低运行成本,可为三维电解法在难降解废水处理中的实际应用提供技术支撑。     

新型活性炭电极电化学降解甲基橙研究

电化学法通常较生物法更能高效处理难降解有机污染物,但其实用性取决于所采用的电极材料和电解过程的能耗。本文制备了一种新型的负载Pt-Bi的石墨烯-活性炭-聚四氟乙烯（PTEF）复合电极,并对其进行了表征和电化学性能测试,研究了电极对甲基橙电催化降解效果及其影响因素。结果表明：负载Pt-Bi后,电极电化学性能得到明显提高,其电极比电容增加了7 %;甲基橙降解过程与准一级反应动力学模型较吻合,通入空气和施加方波电位均有利于甲基橙的去除;在甲基橙的电化学降解过程中,电催化起主要作用,对甲基橙降解的影响远大于电极自身的吸附作用。在方波电位、不通气体条件下,甲基橙初始浓度为20 mg/L时,电解180 min后甲基橙的去除率达到95.81 %,交替进行的氧化还原反应有利于甲基橙的降解。本文为染料的高效降解提供了一种有效的方法,有望应用于废水中其他难降解有机污染物的处理。     

负载Pt-Bi的石墨烯-活性炭-聚四氟乙烯复合电极电化学降解甲基橙

电化学法通常较生物法更能高效处理难降解有机污染物;但其实用性取决于所采用的电极材料和电解过程的能耗。制备了一种新型的负载Pt-Bi的石墨烯-活性炭-聚四氟乙烯(PTEF)复合电极;并对其进行了表征和电化学性能测试。研究了电极对甲基橙电催化降解效果及其影响因素。结果表明:负载Pt-Bi后,电极电化学性能得到明显提高,其电极比电容增加了7%;甲基橙降解过程与准一级反应动力学模型较吻合,通入空气和施加方波电位均有利于甲基橙的去除;在甲基橙的电化学降解过程中,电催化起主要作用,对甲基橙降解的影响远大于电极自身的吸附作用。在方波电位、不通气体条件下,甲基橙初始浓度为20 mg/L时,电解180 min后甲基橙的去除率达到95.81%,交替进行的氧化还原反应有利于甲基橙的降解。为染料的高效降解提供了一种有效的方法,有望应用于废水中其他难降解有机污染物的处理。