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非晶相电催化剂在电解水领域的研究进展
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作者 王潇涵 田汉 +3 位作者 余旭 陈立松 崔香枝 施剑林 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第8期5-48,共44页
化石燃料短缺和环境污染引发了人们对可持续、清洁和高效新能源的关注.氢具有能量密度高、燃烧产物清洁等优点,是一种重要的能源载体,具有替代化石燃料的潜力.在各种制氢方法中,电解水制氢是获取高纯氢气的有效技术,其包含阴极析氢反应(... 化石燃料短缺和环境污染引发了人们对可持续、清洁和高效新能源的关注.氢具有能量密度高、燃烧产物清洁等优点,是一种重要的能源载体,具有替代化石燃料的潜力.在各种制氢方法中,电解水制氢是获取高纯氢气的有效技术,其包含阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER).为了实现高效的电化学水分解,需要使用高效的电催化剂以克服HER和OER的热力学势垒并降低制氢电耗.目前,广泛使用的HER和OER催化剂分别是Pt和RuO_(2)/IrO_(2)基金属或金属氧化物,该类贵金属催化剂的高成本和稀缺性严重限制了其在水分解制氢中的广泛应用.此外,金红石型RuO_(2)和IrO_(2)在阳极高电位下可溶于酸性和碱性电解质溶液中,致使催化活性下降,因此,亟需发展新型高效且稳定的电解水催化剂.相较于目前报道的晶相电解水催化剂材料,非晶相催化剂材料没有严格限定的晶体结构,并具有硬度低、比表面积大和化学稳定性好等优点,特别是其含有大量随机取向的化学键和表面暴露的缺陷,可以显著提高活性位点数量,优化反应物的吸脱附,因此在电催化领域具有良好的应用前景.自20世纪80年代末以来,一系列非晶相材料被成功制备出来且用于HER,OER和全解水中.考虑到当前非晶相电催化剂在电解水领域取得的进展,本综述对其合成方法、稳定策略、性能评估、机制探索和理论研究等进行了系统的总结.阐述了酸性和碱性条件下HER和OER的反应过程和机理,介绍了非晶电催化剂材料的制备方法,以及提升其稳定性的策略.重点介绍了含贵金属(Pt,Pd和Ir等)和非贵金属(Fe,Co,Ni和Mo等)基非晶态电催化剂在HER,OER和全解水中的性能评价,以及采用能带理论和第一性原理相结合阐述相应的电催化机理.深入讨论了当前非晶态电催化剂在电解水实际应用中遇到的关键问题,如非晶催化剂所面临的导电率低、稳定性差(尤其是高电流下)、制备困难、缺乏深入的催化机制研究和工业化前景不明朗等问题,简要地指出了该领域未来的研究方向:(1)高导电材料的引入.为了解决非晶材料导电性差的问题,可考虑引入高导电介质或引入特殊导电结构(如核壳结构等).(2)新颖的合成策略(非晶/结晶结构集成、非晶表面涂覆和创造离子缺陷等).(3)非晶材料结构高度可调的合理使用.非晶催化剂的结构具有高度可调性,在催化过程中易发生相转变,可考虑合理诱导其可控转变.(4)先进的表征手段(原位电镜、原位拉曼、原位XPS和同步辐射等)的开发.(5)理论计算工具(进一步引入机器学习、材料基因组等理论)的使用.(6)更多应用层面的探索.通过研究催化机制加深对非晶催化剂结构的认知,提高稳定性,一方面探究其在实际环境条件(高/低温、高/低pH)下的电解水性能,另一方面将其扩展到甲醇、甘油等小分子氧化应用中的探究.综上,本综述旨在更好地理解非晶相电催化剂在电解水领域的研究现状、机理研究以及存在的挑战等,从而推动非晶相电催化剂在未来电解水领域中的实际应用. 展开更多
关键词 非晶相催化剂 缺陷工程 电解水 析氢反应 析氧反应
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用于高效电催化甘油氧化的CuCoN_(0.6)/CP催化剂
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作者 师凯 司娣 +2 位作者 滕雪 陈立松 施剑林 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第10期143-152,共10页
随着人口的不断增长和经济的高速发展,化石燃料(煤、石油和天然气等)的使用量急剧增加,能源短缺、温室效应、环境污染等问题日益严重.因此,发展可再生的清洁能源以取代化石燃料对人类社会的可持续发展至关重.由于氢气具有能量密度高、... 随着人口的不断增长和经济的高速发展,化石燃料(煤、石油和天然气等)的使用量急剧增加,能源短缺、温室效应、环境污染等问题日益严重.因此,发展可再生的清洁能源以取代化石燃料对人类社会的可持续发展至关重.由于氢气具有能量密度高、来源丰富、清洁无毒等优点,有望成为替代化石燃料的最有前景的可再生能源.然而,目前氢气主要来自化石燃料的蒸汽重整,该过程需要高温高压,而且产生的氢气杂质含量高、纯化过程复杂,不能满足绿色化学生产的要求.利用可再生电力电解水制氢是一种绿色高效的制氢方式,但其实际应用受限于动力学过程缓慢的阳极析氧反应(OER).因此,采用动力学过程更快的有机小分子(甲醇、乙二醇、甘油等)氧化反应来替代OER,不仅可以降低制氢能耗,还能在制氢的同时获得高附加值氧化产物.本文采用水热结合高温焙烧法制备了负载于导电碳纸上CuCoN_(0.6)(CuCoN_(0.6)/CP)纳米线催化剂.采用扫描电子显微镜与透射电子显微镜等对催化剂形貌进行表征.结果表明,表面粗糙的CuCoN_(0.6)纳米线组成的纳米小球与碳纸紧密结合.X射线光电子能谱结果表明,Cu^(+)成功引入到CuCoN_(0.6)/CP中.电化学性能测试结果表明,CuCoN_(0.6)/CP仅需1.07 V的阳极电位即可达到10 mA cm-2的电流密度.此外,CuCoN_(0.6)/CP具有较小的电荷转移电阻(93.45Ω)以及较大的电化学活性表面积(109.6 mF cm-2),并且目标产物甲酸的法拉第效率达到90.0%.循环伏安和原位拉曼光谱测试结果表明,在电催化过程中催化剂原位重构形成CoOOH活性位点,Cu^(+)和CO_(2)+的氧化促进了活性羟基(OH*)的形成,从而提升了甘油电催化氧化性能.原位红外光谱测试结果表明,甘油氧化的反应路径如下:甘油首先氧化生成甘油醛,再氧化生成甘油酸,其中甘油酸经过C-C键断裂生成乙醇酸和甲酸,然后乙醇酸经过C-C键的断裂生成甲酸,最后成功分离出高纯度、高附加值的产品二甲酸钾.综上,本文通过精心设计非贵金属催化剂,提高其在碱性条件下的催化活性,为有机小分子的电催化转化以及非贵金属电催化剂的设计提供了参考,对后续研究具有参考意义. 展开更多
关键词 电催化甘油氧化 活性羟基物种 原位重构 低电位
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Corigendum to“Efficient benzaldehyde photosynthesis coupling photocatalytic hydrogen evolution”[J.Energy Chem.66(2022)52-60]
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作者 Juanjuan Luo Min Wang +1 位作者 lisong chen Jianlin Shi 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第2期122-122,共1页
It is regretful that the wrong image of Fig.4 was used in the paperin the final proof stage by editor.The correct one should be as follow.
关键词 BENZALDEHYDE PROOF COUPLING
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Efficient benzaldehyde photosynthesis coupling photocatalytic hydrogen evolution 被引量:2
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作者 Juanjuan Luo Min Wang +1 位作者 lisong chen Jianlin Shi 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第3期52-60,I0003,共10页
Photosynthesis of organic compounds in coupling with promoted hydrogen evolution under mild conditions of light irradiation is considered as one of the most efficient and promising approach to obtain high purity hydro... Photosynthesis of organic compounds in coupling with promoted hydrogen evolution under mild conditions of light irradiation is considered as one of the most efficient and promising approach to obtain high purity hydrogen and value-added chemicals concurrently by utilizing green solar energy.Here,we report the synthesis of Ni S nanoparticle-modified Cd S nanorod composites(Ni S/Cd S)as an efficient bifunctional catalyst for the highly selective photocatalytic synthesis of high-value-added product benzaldehyde(BAD)from aqueous solution of benzyl alcohol(BA)under oxygen-free conditions,in accompanying with the efficient hydrogen evolution.The synergetic catalytic effect between Ni S and Cd S is proposed to play an important role in elevating the photo-redox performance.The composition-optimized 30%Ni S/Cd S catalyst affords an extraordinarily high H;generation rate of 207.8μmol h^(-1)and a simultaneous BAD generation rate of 163.8μmol h^(-1)under visible light irradiation,which are respectively 139 and 950 times higher than those of Cd S without Ni S modification.To our knowledge,these are the highest photocatalytic production rates of both H_(2)and aldehyde ever reported on the concurrent photocatalytic of aldehyde synthesis and hydrogen evolution in green aqueous solution.This work provides a highly efficient photosynthesis strategy for the concurrent productions of high-value-added fine chemicals and hydrogen. 展开更多
关键词 PHOTOSYNTHESIS Aromatic aldehyde Hydrogen evolution Bifunctional catalyst
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Interactive Development-oriented Poverty Reduction Model for Bijie Experimental Region under the Guidance of Scientific Outlook on Development
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作者 Faliang YU lisong chen 《Asian Agricultural Research》 2013年第9期21-24,共4页
Bijie Experimental Region takes the ecological construction as the guarantee and takes population control as the key,to promote development-oriented poverty reduction and explore benign interaction between development... Bijie Experimental Region takes the ecological construction as the guarantee and takes population control as the key,to promote development-oriented poverty reduction and explore benign interaction between development-oriented poverty reduction and ecological construction and population control.Development-oriented poverty reduction model includes combination of raising crops and livestock,coordinated development of multiple wealth sources,transferring labor,and partner assistance;ecological construction model includes"Five sons passed imperial examinations",desertification control,agricultural circular economy,and project promotion;population control models includes human-land linkage,combination of favorable policies and propaganda and education,and combination of ambition arousing and education promotion. 展开更多
关键词 Bijie EXPERIMENTAL REGION Development-oriented POV
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Anion-tuned nickel chalcogenides electrocatalysts for efficient 2e−ORR towards H_(2)O_(2)production in acidic media
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作者 Qingjia Sun Guanxing Xu +2 位作者 Bingyan Xiong lisong chen Jianlin Shi 《Nano Research》 SCIE EI CSCD 2023年第4期4729-4735,共7页
Electrocatalytic 2e−oxygen reduction reaction(2e−ORR)is a promising approach to producing H_(2)O_(2) at ambient temperature and pressure especially in acidic media,which,however,is hindered by the high cost of preciou... Electrocatalytic 2e−oxygen reduction reaction(2e−ORR)is a promising approach to producing H_(2)O_(2) at ambient temperature and pressure especially in acidic media,which,however,is hindered by the high cost of precious metal-based electrocatalysts.Hence,the development of efficient earth-abundant electrocatalysts and reaction mechanism exploration for H_(2)O_(2) production by 2e−ORR in acidic solution are critically important but remain challenging at present.In this work,NiSe_(2)has been developed as a novel and high-performance 2e−ORR electrocatalyst in acidic media,moreover,using nickel chalcogenides as the models,the influence of different anion species(Se_(2)^(2−),S22−,and O^(2−))on 2e−ORR electrocatalytic performance of the catalysts has been investigated.The synthesized NiSe_(2)exhibits outstanding 2e−ORR performance of high selectivity(90%)and long-term durability(12 h).The maximum H_(2)O_(2) concentration of NiSe_(2)reaches 988 ppm,which is the highest among all the reported transition metal chalcogenides.This work demonstrates a novel point of view in anion tuning for designing high-efficiency transition-metal-based electrocatalysts for 2e−ORR. 展开更多
关键词 hydrogen peroxide oxygen reduction reaction ELECTROSYNTHESIS ANIONS
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二维MXene相Ti_3C_2高效氧还原电催化剂的制备和性能研究(英文) 被引量:13
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作者 林翰 陈立松 +3 位作者 逯向雨 姚鹤良 陈雨 施剑林 《Science China Materials》 SCIE EI CSCD 2019年第5期662-670,共9页
二维MXene材料,由于具有良好的导电性和丰富的表面化学性质,在电催化领域具有广泛的应用前景,但在电催化氧还原领域鲜有报道.本文通过HF酸刻蚀和TPAOH插层两步法,用MAX陶瓷制备了具有二维层状结构的MXene相Ti_3C_2材料,并将其用作氧还... 二维MXene材料,由于具有良好的导电性和丰富的表面化学性质,在电催化领域具有广泛的应用前景,但在电催化氧还原领域鲜有报道.本文通过HF酸刻蚀和TPAOH插层两步法,用MAX陶瓷制备了具有二维层状结构的MXene相Ti_3C_2材料,并将其用作氧还原电催化剂.制备的二维Ti_3C_2材料厚度为0.5–2.0 nm,表明该材料的层数为1~2层. CV、LSV、RRDE等测试表明,二维Ti_3C_2材料具有良好的ORR性能和稳定性. 展开更多
关键词 电催化剂 陶瓷制备 氧还原 二维 性能 材料厚度 表面化学性质 TPAOH
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面向高附加值化学品制备的共电解催化 被引量:1
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作者 陈立松 施剑林 《Science China Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第1期1-9,共9页
当前常见的电催化反应大多以制备某一种化学品为目标,如水分解析氢、二氧化碳还原制备碳基化学品、氮气还原制氨等,然而这些电催化反应均面临着严重的竞争反应且需要克服对电极反应较大的能垒.在同一电解池中共电解两种或多种化学原料... 当前常见的电催化反应大多以制备某一种化学品为目标,如水分解析氢、二氧化碳还原制备碳基化学品、氮气还原制氨等,然而这些电催化反应均面临着严重的竞争反应且需要克服对电极反应较大的能垒.在同一电解池中共电解两种或多种化学原料有望减弱竞争反应并降低对电极反应能垒,从而达到在较低能耗下制备高附加值化学品的目的.虽然共电解催化体系已经有了一定的发展,但目前尚未见到该主题相关的综述.本综述将共电解催化体系分为:(1)牺牲剂促进的电化学转化;(2)两电极上同时分别进行的电化学转化;(3)两电极共同作用将两种原料转化为一种/类产物;(4)在一个电极上将多种原料转化为一种产物.最后提出共电解催化体系未来发展面临的诸多机遇和挑战. 展开更多
关键词 竞争反应 电极反应 电催化反应 电解池 电解催化 能垒 二氧化碳 对电极
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