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多金属氧酸盐在电催化水分解析氢反应中的研究进展

因为当前技术和人口的发展，所以人们对于能源的需求无疑会增加。以石油、

煤为代表的传统化石燃料还是现代的能源主体。而这些化石燃料具有两大弊端。

一是这些化石燃料燃烧之后会造成环境的污染，常见的是SO、CO和一些氮的

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氧化物以及其他的污染物。二是这些化石燃料都是一次能源，并且储存的量十分

有限还不可再生。逐渐增长的能源需求就会造成严重的能源危机。现在急需一种

绿色、无污染并且可以循环使用的可持续发展的能源。

氢能源就是我们所期待的清洁能源，虽然地球上氢资源比较丰富，但是多数

都是以水资源这种方式而存在，以单质氢分子（H）存在的量占比非常的少。这

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也就意味着氢能源是一种二次能源，需要通过一定的方法才可以获取。

1.2氢能源

世界上绝大多数氢气生产是通过开采的化石能源来实现的，例如甲烷蒸汽重

整和煤气化，但以上两种方法一般工艺比较复杂并且产量较低，不能够满足人们

日常生活对燃料的大量要求。在之前，人们就使用的光电极材料是半导体钛酸锶，

暗电极是金属铂，由于光源的存在，使得铂电极会析出氢气，与此同时钛酸锶电

极会释放出氧气。但是因为铂的价格昂贵，生产的成本太高，从而也限制了其工

业化的生产。在现在的21世纪，我国和多个国家都制定了氢能源发展规划，主

要是研究如何大量的又廉价的产生氢气。在众多制取氢气方法中，通过电催化的

方法分解水从而制备氢气得到了广泛的关注，电催化分解水制备氢气是一种高效

且环保的氢气制备方法，在电解水的过程中不会产生其他会污染环境的物质，其

次，水是廉价易得、储量丰富的资源。

电解水制氢的生产过程也并不复杂，将分别用于产生氢气和产生氧气的两个

电极插入水中，通以适当的电压，则水中作为阴极的电极上就会产生氢气，而作

为阳极的电极上则会产生氧气，而且产生的氢气与产生的氧气的比例为二比一，

可见，使用电极电解水的过程其实是将水分解产生氢气和氧气的过程分开为析氢

和析氧两个半反应。可以说电解水制氢是一种又好又快的生产氢气的方式。

1.3多金属氧酸盐的概况

多金属氧酸盐(POMs)[1~3]，简称为多酸，这类物质是具有纳米级尺寸的大

分子氧簇，通过氧配体结合Mo、W、V等元素组成。多酸分子中的金属原子大

多都处于高价的氧化态，能够快速地接收或者释放电子，氧化和还原能力优秀，

并且具有结构稳定、单分散纳米团簇、能够形成多酸有机无机杂化材料、能够实

现原子掺杂的超细纳米材料等特点，因而被应用在催化的领域。还原态的多酸是

一类良好的电催化析氢反应催化剂，可以直接用于电催化生产氢气。多酸也可以

和金属、贵金属结合，协同作用于电催化析氢反应。

图1.1多酸的结构

1.4选题依据和目的

随着全球一体化的发展，石油燃料的价格一路飙升，能源危机一触即发。中

国在这种能源危机的大趋势面前，我国能源供给一定会受到威胁。解决能源危机

的方法就是找寻新的可再生能源。比如说，风能、潮汐能等，但是这些能源又有

其自身的区域性和难运输性。氢能是一种清洁的、无污染的、易于运输的可再生

能源。那么能够价廉且大量的产氢的研究就显得尤为重要。传统的电催化析氢反

应中的铂电极是贵金属，价格昂贵，不利于大量的应用于生产实践。找寻非贵金

属的电催化剂就成为电催化析氢的目标。多金属氧酸盐具有明确定义的结构和良

好的氧化还原性，成为构筑电解水析氢反应催化剂的重要催化剂和前驱体。其特

有的纳米级大分子氧簇和较高的金属价态，使得多金属氧酸盐可以很好地得到

失去电子，可以直接应用于电催化水分解制取氢气。

本综述主要讨论在电催化析氢反应的机理和多酸复合材料（多酸-石墨烯复

合材料、多酸金属有机框架复合材料）以及多酸衍生的复合材料（多酸衍生的碳

化物材料和多酸衍生的硫化物复合材料）在电解水析氢反应中的进展，提出多酸

材料在析氢反应的研究中存在的问题以及发展前景。

第二章电催化析氢反应的机理

2.1在酸性条件下电催化HER基本机理

在不同的溶液中，电解池回路在两个电极发上的半反应也有所不同，例如，

在氢离子较多的酸性溶液中，电解池的阴极和阳极会发生以下反应[4]：