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关键词：
电解水;制氢;酸性离子液体;催化活性;活化能
发表时间：
2017-02-07 16:50:18
Br_nsted酸性离子液体活化电极催化制氢性能研究_陈佳志_孟玲祎_王雅静_孟
SDY | -> | 750| 0| 0.240366MB |电解水;制氢;酸性离子液体;催化活性;活化能
氢气是贮存氢能最简单、最有效的能量方式，具有质量轻、能量密度高、无污染、来源广泛等诸多特
点。然而氢气在自然界中的含量不足百万分之一，绝大部分氢元素都是以化合态的形式存在。因此，从
不同含氢的化合物中高效提取和制备氢气是氢能研究的重要课题[CI -57。当前，95%的氢气来源于化石
燃料的裂解，仅有不到5%的氢是通过水分解获得的[t}}。化石燃料制氢法最大的问题是会产生大量的
副产物COz }'}，而COz是造成温室效应的主要组分。水分解制氢是一种环境友好、具备可持续开发战
略意义的绿色能源技术Cs -117。水电解在阴极获得高纯氢气的同时，电解池的另一极将产生清洁的氧
气，因此电解水过程中的两个最重要反应为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。为了提高电解效率，
应尽可能降低电极反应的活化能，加快电极反应过程动力学。
电解水制氢的效率取决于阴极催化HER反应的动力学。目前，贵金属Pt仍是催化HER反应最有
效的电极材料。为了降低成本，研究者们尝试采用相对廉价的非贵金属及其化合物来代替贵金属催化
剂研究HER反应，并且在特定环境下，这些非贵金属材料展现出了某些潜在的优良品质[Dz-IS7。但总
体上，非贵金属催化剂在催化效率和催化稳定性方面与贵金属R仍存在较大差距。另一种降低催化剂
成本的方法是减少R用量，可以通过设计具有特定结构的R纳米粒子或薄膜来增大其有效催化比表
面[[16,177，也可与某些过渡金属按特定比例合金化，达到协同催化和提高催化剂稳定性的效果[Ds.197
电解水制氢采用的电解质通常是无机碱(如KOH)或无机酸(如HzS04)，反应温度较高(例如
353 I})，对设备腐蚀严重。离子液体拥有宽的电化学窗口、高的离子电导率、稳定的电化学性能，并且
几乎不挥发，是一种应用前景广阔的绿色电解质[Czo -z37 0 4P Souza等Cza7首次将中性离子液体
田MIm] BFQ用作电解水制氢的电解质，在Pt电极催化下HER电流密度为20 mA/c耐，电解效率达
94.5 % o Islam等[257也证实了水在离子液体电解质中很容易电解。上述研究表明，水在中性离子液体
中的HER闽值电位仍然较负，在Pt电极上也仅有一0. 9 V(相对于Pt丝准参比电极)。最近Fiegenbaum
等Cz67研究了几种电极在口EARS] BF、离子液体中催化电解水的HER性能，发现离子液体能在电极表
面形成一个活化层，使玻碳( GC)电极和R电极的反应活化能显著降低。
考虑到Bronsted酸性离子液体的电导率较中性离子液体高，并且电离出的H+更趋向于极化中性水
分子，右利干W分子存i}'h}申L极先而的吸附，因而Bronsted }v'N$离子滴体比中'h}离子滴体用作HE申L
点。然而氢气在自然界中的含量不足百万分之一，绝大部分氢元素都是以化合态的形式存在。因此，从
不同含氢的化合物中高效提取和制备氢气是氢能研究的重要课题[CI -57。当前，95%的氢气来源于化石
燃料的裂解，仅有不到5%的氢是通过水分解获得的[t}}。化石燃料制氢法最大的问题是会产生大量的
副产物COz }'}，而COz是造成温室效应的主要组分。水分解制氢是一种环境友好、具备可持续开发战
略意义的绿色能源技术Cs -117。水电解在阴极获得高纯氢气的同时，电解池的另一极将产生清洁的氧
气，因此电解水过程中的两个最重要反应为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。为了提高电解效率，
应尽可能降低电极反应的活化能，加快电极反应过程动力学。
电解水制氢的效率取决于阴极催化HER反应的动力学。目前，贵金属Pt仍是催化HER反应最有
效的电极材料。为了降低成本，研究者们尝试采用相对廉价的非贵金属及其化合物来代替贵金属催化
剂研究HER反应，并且在特定环境下，这些非贵金属材料展现出了某些潜在的优良品质[Dz-IS7。但总
体上，非贵金属催化剂在催化效率和催化稳定性方面与贵金属R仍存在较大差距。另一种降低催化剂
成本的方法是减少R用量，可以通过设计具有特定结构的R纳米粒子或薄膜来增大其有效催化比表
面[[16,177，也可与某些过渡金属按特定比例合金化，达到协同催化和提高催化剂稳定性的效果[Ds.197
电解水制氢采用的电解质通常是无机碱(如KOH)或无机酸(如HzS04)，反应温度较高(例如
353 I})，对设备腐蚀严重。离子液体拥有宽的电化学窗口、高的离子电导率、稳定的电化学性能，并且
几乎不挥发，是一种应用前景广阔的绿色电解质[Czo -z37 0 4P Souza等Cza7首次将中性离子液体
田MIm] BFQ用作电解水制氢的电解质，在Pt电极催化下HER电流密度为20 mA/c耐，电解效率达
94.5 % o Islam等[257也证实了水在离子液体电解质中很容易电解。上述研究表明，水在中性离子液体
中的HER闽值电位仍然较负，在Pt电极上也仅有一0. 9 V(相对于Pt丝准参比电极)。最近Fiegenbaum
等Cz67研究了几种电极在口EARS] BF、离子液体中催化电解水的HER性能，发现离子液体能在电极表
面形成一个活化层，使玻碳( GC)电极和R电极的反应活化能显著降低。
考虑到Bronsted酸性离子液体的电导率较中性离子液体高，并且电离出的H+更趋向于极化中性水
分子，右利干W分子存i}'h}申L极先而的吸附，因而Bronsted }v'N$离子滴体比中'h}离子滴体用作HE申L
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