用于电催化析氢的Ni/C纳米结构调控和制备
摘要：水分解制氢主要有光解水和电解水，光解水和电解水都是很好的制氢途径。近年来，特别是镍基材料以其来源广泛、价格低廉、在工作环境中具有预期的耐久性等优点而受到越来越多的关注。析氢反应比较好的电催化剂是贵金属铂以及它的合金，但由于贵金属催化剂铂及其合金的稀缺性和成本限制了其大规模应用电解。所以需要使用高活性的电催化剂来代替。本文主要围绕电催化水电解、析氢反应、析氢催化剂三方面的研究展开详细阐述。
关键词：Ni/C纳米复合材料；析氢反应；电催化剂；催化活性
一、文献综述
1.引言
能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。由于全世界80%的能量都是化石燃料直接或间接产生的，在这过程中不仅会因为持续损耗不可再生能源，并且在燃烧过程中会产生很多污染废物，如各种气体和固体，逐年增加的温室效应有很大一部分原因就是燃烧产生的CO2造成的，因此，为了减少化石等不可再生的利用，顺应社会生产的需要和可持续发展的目标，我们要研究开发更多可以非不可再生的能源[1]。
氢气燃烧生成水，简单的化学反应，没有其余副产物，放出巨大的能量，并且氧气也是空气中直接可得的，生成的水对环境也没有任何污染，不管是从生成物还是反应物角度都是一种理想的清洁能源，所以生产氢气成为了当今化学能能源研究的主要对象。电催化水电解被认为是一种清洁、高效的制氢方法，越来越迫切。为了制取氢气，目前广泛应用的方法还是电催化析氢反应（HER）[2]，并且催化活性最好的催化剂还是贵金属Pt基催化剂[3]。
为了降低生产成本应用于大规模工业生产，实现可持续发展，后来陆续有各种研究，在用一些三维过渡金属（如Ni、Co、Fe）取代贵金属基催化剂进行析氢反应（HER）[4]。设计低成本的材料，作为高效的电催化剂，对氢的电催化生产至关重要，这仍然是一个非常艰巨的问题。许多具有催化性能的新材料的研究集中在以水、甲烷、甲醇和乙醇等为氢前驱体的制氢上。
1.1析氢电催化剂定义和研究概况
对未来新型的HER催化剂主要有三个要求：高活性、低成本、高稳定性。近十年来，研究者前赴后继，进行不断的研究创新，通过对HER电催化剂的设计与优化，使得HER电催化剂在纳米尺度上，在一定程度上提升了非贵金属电催化的催化析氢性能。为什么专注于纳米结构的电催化剂，是因为相比于微米或更大尺寸的结构,更多的催化活性位点可以在纳米结构的电催化剂上暴露出来，进而提升其电催化性能。此外，通过改善电催化剂的导电性，会有更多的活性位点与电极联通、发挥作用，从而提升导电性。电催化剂催化活性的提升还有可以通过减小尺寸、提高导电性或者两者的协同作用来实现。
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