电解水及其催化剂

氢气（H2）不仅在石化工业和氨合成工业中发挥重要作用，而且还是一种理想的能源载体和燃料。目前，全球95%以上的H2来自化石燃料，开发大规模、廉价、清洁、高效的制氢技术是氢能有效利用的关键。其中电解水制氢是生产高纯度H2的可持续且绿色的方法。在电解水制氢体系中，对催化剂的研究一直是热点，因此本书主要介绍了电解水的基本原理、关键参数以及相关催化剂。旨在帮助电解水行业的初学者理解和熟悉电解水制氢体系的基础知识，并了解催化剂制备的一些方法和研究进展。
本书在笔者近年来对电解水及其催化剂方面的研究以及文献积累基础上编写而成。编写过程中坚持以能给读者有用的借鉴和指导为宗旨，力求内容具有系统性、通俗性和严谨性。目前，为推动电解水制氢体系在工业上的大规模应用，对于电解水的研究主要集中在两个方面：一方面是寻求催化活性良好的非贵金属代替贵金属；另一方面是构建去耦合化的电解槽体系。针对研究的热点，本书首先介绍了电解水的基本原理及电催化的重要参数；然后介绍了电解水槽体系，包括传统的电解槽体系和新型电解槽体系；之后主要介绍了电催化剂的制备方法，紧接着系统地阐述了如何构建高效电催化剂，最后介绍了贵金属、非贵金属以及单原子材料作为电催化剂的研究进展。本书较为系统地阐述了电解水及其催化剂的相关基础知识及研究进展，适用于本科生、研究生以及希望从事电解水制氢研究的学者。
本书得到了贵州省科技计划项目（黔科合基础-ZK【2021】一般050）和贵州理工学院高层次人才科研启动项目（XJGC20190961）的支持。
由于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。

编著者
2022年6月

刘云花，贵州理工学院，应用化学专业讲师。2018年到现在从事新能源科学与工程专业教学，科研工作重点为电催化剂的制备及其应用。

本书基于作者近年来在电解水及电解水催化剂方面的研究以及文献积累，介绍了电解水和电解槽体系的基础知识，并综述了几年来开发的性能优异的催化剂。首先介绍了电解水的基本原理及重要参数，然后介绍了电解槽体系，包括传统的电解槽体系和新型电解槽体系，之后介绍了电催化剂的制备方法，高效电催化剂的构建方法，最后介绍了贵金属、非贵金属以及单原子材料作为电催化剂的研究进展。
本书可供电化学、电催化、材料科学等领域的研究人员及高等院校相关专业学生参考使用。

第一章电解水概述001
1.1引言002
1.2基本原理003
1.2.1OER催化机理005
1.2.2HER催化机理007
1.3电催化的重要参数009
1.3.1质量活性009
1.3.2塔费尔斜率009
1.3.3过电位010
1.3.4法拉第效率013
1.3.5电化学活性面积和归一化电流014
1.3.6周转频率017
1.3.7稳定性018
1.4电解水催化剂019
参考文献020

第二章电解槽体系概述025
2.1碱性电解槽体系026
2.2酸性电解槽体系031
2.3海水电解槽032
2.4解耦电解槽033
参考文献040

第三章电解水催化剂的制备方法043
3.1有机配体辅助合成法044
3.2水热和溶剂热合成法047
3.3电沉积法049
3.3.1电沉积的方式050
3.3.2电解液050
3.3.3基底和模板051
3.4共沉淀法052
3.4.1原材料的影响053
3.4.2浓度和组成的影响053
3.4.3溶剂效应054
3.4.4温度和pH的影响055
3.5静电纺丝法055
3.5.1溶液参数057
3.5.2工艺参数059
3.5.3环境参数060
3.6材料的表征技术062
参考文献062

第四章高效电催化剂的设计066
4.1化学掺杂067
4.2缺陷(空位)工程069
4.2.1化学还原和电化学还原法070
4.2.2等离子处理070
4.2.3其他方法071
4.3物相工程072
4.4晶面工程073
4.5结构工程074
4.5.1调整材料尺寸074
4.5.2组分调制075
4.5.3修饰表面/界面075
4.5.4导电载体工程076
4.61D/2D纳米结构自支撑电极076
4.6.1自支撑电极作为HER催化剂078
4.6.1.1一般的1D/2D纳米阵列078
4.6.1.2分级结构1D/2D纳米结构080
4.6.1.3具有中空1D/2D纳米结构的电极082
4.6.2自支撑电极作为OER催化剂083
4.6.2.1一般的1D/2D纳米阵列电极083
4.6.2.2分级结构1D/2D纳米结构085
4.6.2.3具有中空1D/2D纳米结构的电极086
4.6.3自支撑电极作为OER/HER双功能催化剂088
4.6.3.1一般的1D/2D纳米阵列电极088
4.6.3.2具有中空1D/2D纳米结构的电极090
参考文献093

第五章贵金属基纳米催化剂104
5.1铱基纳米催化剂用于电化学分解水106
5.1.1Ir基催化剂用于HER106
5.1.1.1Ir金属107
5.1.1.2Ir合金108
5.1.1.3Ir的氧化物110
5.1.2Ir基催化剂用于OER111
5.1.2.1Ir金属111
5.1.2.2Ir合金115
5.1.2.3Ir氧化物116
5.1.3Ir基催化剂用于全电解水120
5.1.3.1Ir金属基双功能催化剂120
5.1.3.2Ir合金基双功能催化剂123
5.1.3.3Ir氧化物/氢氧化物基双功能催化剂124
5.1.3.4含Ir的氢氧化物124
5.2低Pt含量电催化剂用于HER催化127
5.2.1低Pt含量电催化剂的合成128
5.2.2低Pt含量电催化剂在电催化HER的应用131
5.2.2.1载体上的Pt纳米颗粒132
5.2.2.2载体上的Pt纳米簇133
5.2.2.3Pt单原子催化剂134
5.2.2.4Pt合金催化剂135
5.2.2.5表面富Pt的低Pt含量电催化剂136
参考文献138

第六章非贵金属基纳米催化剂153
6.1镍基化合物154
6.1.1镍基硒化物用于OER154
6.1.2含有其他金属的镍基硒化物用于OER158
6.1.3NiFe硫化物161
6.1.4NiFe基氧化物/氢氧化物165
6.1.4.1NiFe基氧化物165
6.1.4.2NiFe基(氧)氢氧化物167
6.1.4.3NiFe LDH174
6.2硼化物和硼酸盐催化剂177
6.2.1硼化物催化剂178
6.2.2硼酸盐催化剂183
6.3碳化钼基催化剂186
6.3.1Mo2C催化剂187
6.3.2Mo2C杂化催化剂188
6.4Fe、Co、Ni基磷化物190
6.4.1前驱体的合成190
6.4.2磷化方法192
6.4.3磷化物和C的复合材料193
6.4.4杂原子掺杂的磷化物194
6.4.4.1非金属掺杂195
6.4.4.2金属掺杂196
参考文献197

第七章单原子催化剂217
7.1SACs用于HER催化218
7.1.1贵金属基SACs用于HER218
7.1.2非贵金属基SACs用于HER221
7.2SACs用于OER催化224
7.2.1单金属SACs用于OER224
7.2.2双金属SACs用于OER226
7.3双功能SACs用于电解水227
参考文献231