1.引言

近年来,随着社会的不断进步,科技发展迅速,新的科技为人类生活提供便捷的同时离不开能源的巨大消耗,然面,目前能源的消耗仍然主要以传统化石能源如煤、石油和天然气为主,这些能源的产生需要经过上亿年,而地球上现有的储量有限,并且在以几何加速的方式日益锐减,可能仅够维系人类今后几十年到百年的使用,一且这些资源消耗始尽,人类生活将受到毁灭性的打击,此外传统化石燃料的燃烧势必件随着污染物的排放,如二氧化碳引发的温室效应和二氧化硫引发的酸雨,虽然科技的进步已经尽可能的将能耗和污染降到最低,但是能源危机和环境污染问题仍不可避免。所以,寻找生产方便、绿色环保、可再生的新型能源来替代传统化石燃料迫在眉睫,当前,太阳能,风能、地热能等成为可再生能源的研究热点,然面,由于成本高昂,持续性差等缺点,阻碍了其大规模应用生产。氢能,作为一种新型能源,兼具生产原料丰富、生产周期短燃烧热能高、燃烧产物为水绿色无污染等优点,是成为传统化石能源替代品的理想选择^[1]。

氢能是一种清洁,可再生的绿色能源,其来源广泛,能量密度高,引起了人们极大的关注,被认为是最有可能代替石油天然气的新型能源,然而现阶段的工业制氢方法主要靠水煤气法和石油热裂的合成气以及天然气制氢,这些方法依然需要消耗大量的化石能源,同时也会产生CO₂等温室气体,不符合绿色经济理念以句,电解水制氢是一种高效、环保的制氢技术,通过采用可再生能源或者发电厂产生的多余、不可储存的电能来制备高纯度的氢气。其工艺流程相对简单,产品纯度高,并且还能有效的实现CO2的减排,具有非常广阔的发展前尽管电解水制氢有很多优势,但目前技术上所需的成本仍然很高,因此离市场化还有很大的距离,在电解水制氢的整个过程中,阴极电极上发生析氢反应而阳极电极上发生析氧反应,在一个标准大气压,298K条件下,HER的标准还原电势相对与可逆氢电极(RHE)为0V,而OER的标准氧化电势则为1.23V。但在实际过程中,因为电极和连接线的电阻,溶液浓度,电解质扩散阻塞等问题都会影响电极电势。因此往往需要更大的施加电压,而超过标准电压的额外电势则被称为过电位,过电位的存在,使的电解水制氢方法效率降低、能耗变大严重影响了其在实际生产中的应用^[2-3]。
析氧反应^[4]作为一个四电子氧化过程,其原理相比于另一端电极的析氢反应更加复杂,属于动力学慢反应,析氧反应的过电位相比于析氢反应来说要更高,因此这个反应是限制电解水制氢反应效率的重要因素。此外,析氧反应也是金属空气电池以及燃料电池里的核心反应,如何提高析氧反应的反应效率已经成为了近年来能源领域的研究热点,降低技术成本,提高反应效率的最重要方法就是寻求和发展廉价,高效且稳定的电催化剂。目前在电催化析氧反应中,表现出高催化活性的催化剂是钌和铱的氧化物,但是这些催化剂都属于贵金属,不仅价格昂贵,储量也很少,不适合应用在实际的大规模生产中,近年来,过渡金属催化剂在电催化领域中表现突出,由于过渡金属储量高、价格便宜并且在催化OER时有好的活性和稳定性,因此过渡金属催化剂近年来越来越受到研究人员的重视。

2. 氢能的概述

地球上,氢的含量十分丰富,大多数氢存在于液态水中,只有转化成氢气才能作为能源加以利用,氢气可直接用作燃料,由于氢气是分子质量最小的气体所以单位质量的能量密度最高,并且燃烧产物只有水,完全满足绿色清活的发展要求,氢能作为新型能源受到了全世界各国科学家的青睐。

2.1 氢能的优点

作为传统化石能源的理想替代品,氢能具备其它新能源没有的诸多优点^[3-4]；

(1)生产原料丰富。地球上百分之七十的部分被海洋和河流所占,而氢的主要存在形式为水,通过水制得的氢气在燃烧后又生成原料水,这样可以达 到循环利用的目的。

(2)可再生,持续性好。氢气的主要来源是水,地球上水的储量丰富,氢气燃烧产热的同时产物生成水,水家集起来又可以作为生产氢气的原料,如此周而复始,实现氢能源的持续生产与利用。