具有经济性的碱性膜燃料电池氢气氧化反应催化剂

燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置,可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能。在过去的几十年中,燃料电池的开发取得了重大进展。聚合物电解质燃料电池,尤其是以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为代表,可以实现高效率、高功率密度、快速启动,因而受到了广泛的关注。然而,PEMFC因使用昂贵的Pt基催化剂而导致成本较高,阻碍了其大规模的应用。近年来发展的碱性膜燃料电池(HEMFC)与PEMFC结构相似,但使用可传导氢氧根离子的聚合物电解质,并提供碱性工作环境。HEMFC由于具有使用非Pt电催化剂和较便宜双极板的可能性而备受关注。然而,HEMFC的一个巨大的挑战是阳极氢氧化反应(HOR)相对缓慢的动力学,这使得其需要较高载量的阳极催化剂才能实现较高的电池性能。因此,对于HEMFC而言,阳极催化剂的成本也很高,亟需开发在碱性条件下低成本、高活性和高稳定性的HOR催化剂。在本综述中,我们总结了HOR催化剂的最新研究进展,涉及文献中提出的各种HOR机理和催化剂,并分析了基于阳极催化剂成本的HEMFC性能。我们发现,最新报道的非Pt HOR催化剂可以降低阳极催化剂的成本,到达与PEMFC接近的成本水平。最后,我们对HOR的进一步研究进行了展望。

氮掺杂碳催化剂在高效电化学CO_(2)还原中的协同效应

利用电化学方法将温室气体CO_(2)还原(CO_(2)RR)为高附加值化学品是解决环境和能源问题的一种很有前景的办法.目前,大量具有催化活性的材料已被广泛应用于CO_(2)RR中,主要包括金属、合金、金属氧化物和金属-碳氮复合材料等.然而大部分金属也是很好的析氢反应(HER)活性位点,容易在CO_(2)RR催化过程产生大量氢气,同时部分金属位点容易被CO毒化导致活性与选择性下降,而且金属成本较高也会阻碍催化剂的工业化应用.因此,开发低成本、高性能的无金属的氮掺碳材料(mf-NCs)作为高效CO_(2)RR催化剂,以及研究相关的催化机理对于解决温室效应和能源短缺问题都至关重要.但N活性位点不清晰以及本征活性较低等劣势阻碍了mf-NCs成为一种高性能催化剂.精准控制合成具有明确N活性位点的mf-NCs催化剂仍然十分具有挑战性.目前,文献报道了一些mf-NCs(如氮杂石墨烯、氮杂纳米管)在CO_(2)RR中的应用.但是,在合成石墨烯或者碳纳米管的过程中需要使用到金属元素,完全去除它们非常困难.比如在合成碳纳米管时用的金属纳米颗粒往往被包覆在碳管中,即使酸洗也无法将其完全去除,所以很难确定其活性位点到底是金属还是非金属.另外,在研究mf-NCs的CO_(2)RR活性位点时,虽然催化剂中存在多种N元素,但是人们大多将活性归因于单一的N位点.在水相的CO_(2)RR中,除了CO_(2)外,H_(2)O分子也在CO_(2)的活化与还原过程中扮演着重要的角色.这表明单一位点很难同时满足两种不同物质的吸附与活化.因此,针对mf-NCs催化剂中不同N位点需要进行更深入的研究.本文报道了一种聚合-热解-蚀刻工艺,构建了系列含有不同氮成分的mf-NCs-x催化剂(x表示热解温度),并研究其在CO_(2)RR中的活性位点.所制催化剂mf-NC-1000在–0.55 V(相对于可逆氢电极)时具有90%左右的CO法拉第效率(FE_(CO)),并具有良好的稳定性.通过X射线粉末衍、拉曼光谱、透射电子显微镜、扫描隧道电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征手段,系统考察了含有不同种类N位点的mf-NC-800,mf-NC-1000和mf-NC-1200催化剂的结构与电催化性能,结合原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱(in-situ ATR-SEIRAS)结果表明,石墨N和吡啶N可以参与协同吸附CO_(2)和H_(2)O,且更有利于CO_(2)的活化和还原.综上,本文不仅为CO_(2)RR电催化剂的合成提供了一种高效、经济的方法,且通过合理的实验设计突破了对mf-NCs催化剂在CO_(2)RR中关于活性位点的认知.

利用生物质材料合成高性能氢氧燃料电池氧还原催化剂（英文）

制备廉价、高活性氧还原催化剂对于发展氢氧燃料电池清洁能源极为重要.在本论文中,我们利用黑木耳作为生物质材料,通过一种便捷的方法合成了高活性氧还原催化剂.黑木耳经水热和热解两个步骤,碳化形成BF-N-950催化剂.该催化剂在酸性和碱性溶液中的半波电势分别为0.77和0.91 V.采用BF-N-950催化剂作为膜电极得到的氢氧燃料单电池,峰值功率可达255 mW cm^-2.本文提出了使用生物质材料合成高性能氧还原催化剂的方法,为氢氧燃料电池的应用提供了有益探索.