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Efficient C-N coupling in electrocatalytic urea generation on copper carbonate hydroxide electrocatalysts
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作者 Yinuo Wang Yian Wang +11 位作者 Qinglan Zhao Hongming Xu shangqian zhu Fei Yang Ernest P.Delmo Xiaoyi Qiu Chi Song Juhee Jang Tiehuai Li Ping Gao MDanny Gu Minhua Shao 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第6期289-298,I0008,共11页
Urea generation through electrochemical CO_(2) and NO_(3)~-co-reduction reaction(CO_(2)NO_(3)RR)is still limited by either the low selectivity or yield rate of urea.Herein,we report copper carbonate hydroxide(Cu_2(OH)... Urea generation through electrochemical CO_(2) and NO_(3)~-co-reduction reaction(CO_(2)NO_(3)RR)is still limited by either the low selectivity or yield rate of urea.Herein,we report copper carbonate hydroxide(Cu_2(OH)_2CO_(3))as an efficient CO_(2)NO_(3)RR electrocatalyst with an impressive urea Faradaic efficiency of45.2%±2.1%and a high yield rate of 1564.5±145.2μg h~(-1)mg_(cat)~(-1).More importantly,H_(2) evolution is fully inhibited on this electrocatalyst over a wide potential range between-0.3 and-0.8 V versus reversible hydrogen electrode.Our thermodynamic simulation reveals that the first C-N coupling follows a unique pathway on Cu_2(OH)_2CO_(3) by combining the two intermediates,~*COOH and~*NHO.This work demonstrates that high selectivity and yield rate of urea can be simultaneously achieved on simple Cu-based electrocatalysts in CO_(2)NO_(3)RR,and provide guidance for rational design of more advanced catalysts. 展开更多
关键词 Copper carbonate hydroxide Co-reduction Urea generation C-N coupling DFT calculation
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金属有机框架-离子液体混合催化剂用于电化学还原二氧化碳生成甲烷 被引量:1
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作者 Ernest Pahuyo Delmo 王忆安 +10 位作者 王菁 朱尚乾 李铁怀 秦雪苹 田一博 赵青蓝 Juhee Jang 王一诺 谷猛 张莉莉 邵敏华 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第7期1687-1696,共10页
二氧化碳电化学还原(CO_(2)RR)制备碳氢化合物是一项极具应用前景的技术.该技术不仅可以有效减少二氧化碳在大气中的积累,还可以储存可再生能源.然而,由于现有的CO_(2)RR电催化剂的活性和法拉第效率较低,难以实现大规模应用.离子液体电... 二氧化碳电化学还原(CO_(2)RR)制备碳氢化合物是一项极具应用前景的技术.该技术不仅可以有效减少二氧化碳在大气中的积累,还可以储存可再生能源.然而,由于现有的CO_(2)RR电催化剂的活性和法拉第效率较低,难以实现大规模应用.离子液体电解质可以有效提高CO_(2)RR的选择性,但成本太高,将离子液体固定在异相电催化剂的孔洞中可以大幅减少离子液体的用量.本文设计了一种混合HKUST-1金属-有机框架(MOF)-氟化咪唑基室温离子液体的电催化剂,将1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM][PF6])和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM][BF_(4)])室温离子液体在真空氛围中被负载到水热合成的HKUST-1微粒孔隙中形成复合催化剂,该催化剂可以选择性地将CO_(2)还原为CH_(4).X射线光电子能谱(XPS)结果表明,室温离子液体和HKUST-1 MOF的Cu中心之间存在明显的电子相互作用,其中低氧化态的Cu比例较高.X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,室温离子液体的负载没有显著改变MOF的晶体结构及其形态.与原始的HKUST-1电催化剂相比,HKUST-1/[BMIM][PF_(6)]混合催化剂的CH_(4)法拉第效率(FE)明显提高.在‒1.13 V vs.RHE时,最大CH_(4) FE和分电流密度分别为65.5%和11.5 mA cm^(-2).同时,混合催化剂的析氢反应(HER)活性显著降低,在‒1.09 V vs.RHE时H_(2) FE只有6.8%.稳定性测试结果表明,CH_(4) FE可以稳定保持在50%以上.由于在HKUST-1/[BMIM]和HKUST-1/[EMIM][BF_(4)]混合催化剂的测试中观察到了类似的促进CH_(4)和抑制HER的趋势,可以推断室温离子液体的疏水性在提高CO_(2)RR选择性方面只起到次要作用.电解后催化剂表面形成纳米级铜簇,可能是真正的活性位点.基于实验结果,本文还模拟了表面吸附了[BMIM][PF_(6)]分子的Cu(110)晶面,密度泛函理论(DFT)计算结果表明,在表面存在室温离子液体的情况下,Cu的分态密度(PDOS)峰正移,表明Cu可以与CO_(2)RR的反应中间体形成更强的键.HER的自由能图结果表明,室温离子液体的存在明显增强了H的吸附,从而通过增加*H的脱附能垒来阻碍析氢.此外,对CO_(2)到CH_(4)反应路径的计算表明,室温离子液体的存在降低了CO_(2)-CH_(4)的热力学能垒. 展开更多
关键词 二氧化碳电还原 甲烷 室温离子液体 金属-有机框架 催化剂设计 密度泛函理论计算
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钯铂核壳纳米催化剂颗粒中的原子扩散 被引量:2
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作者 张焰峰 朱尚乾 +2 位作者 张莉莉 苏东 邵敏华 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期807-812,共6页
铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材... 铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材料表面,钯@铂核壳催化剂的催化稳定性及原子扩散的途径需要更深入的研究.本文探究了热处理条件对钯@铂核壳结构稳定性的破坏,并确定了原子扩散对催化活性的影响.原位扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)证明了在250 oC的氩气氛围中,钯@铂纳米颗粒中原本清晰可见的1–2原子铂壳层已经消失,并伴随着颗粒表面钯铂合金化的形成.因钯金属可以吸收氢气而导致晶格间距的展宽,钯@铂核壳结构的破坏也可以通过氢气氛围中的原位X射线衍射谱中(111)衍射峰的展宽和位移进行判断.对钯@铂核壳纳米催化剂进行一系列温度的热处理结果显示,核壳结构的破坏在200 oC左右开始,并于200–300 oC之间急剧发生.一氧化碳电化学氧化脱附实验表明,热处理之后的核壳催化剂表面的一氧化碳氧化峰位置发生了明显的正移,也证明了热处理之后催化剂表面电子结构的变化.核壳结构改变对催化活性的影响也通过旋转圆盘电极进行了测量.相比于未经处理的样品, 200 oC处理之后的钯@铂核壳催化剂在0.9 V电位处的质量活性损失了约37%.进一步提高热处理温度至300 oC之后,钯@铂核壳催化剂的质量活性只有初始状态的44%.本文揭示核壳结构中因热处理而导致的原子扩散现象,并为燃料电池中核壳催化剂的应用及膜电极的制备工艺条件提供了参考. 展开更多
关键词 核壳催化(单层)剂 质子交换膜燃料电池 稳定性 原子扩散 电催化剂
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Pt-Ni nanourchins as electrocatalysts for oxygen reduction reaction 被引量:4
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作者 Qiaowan CHANG Yuan XU +2 位作者 shangqian zhu Fei XIAO Minhua SHAO 《Frontiers in Energy》 SCIE CSCD 2017年第3期254-259,共6页
Pt-Ni bimetallic alloys with various nanos-tructures have shown excellent activity toward oxygen reduction reaction (ORR). The ORR activity is highly dependent on the structure of the catalyst. In this paper, Pt-Ni ... Pt-Ni bimetallic alloys with various nanos-tructures have shown excellent activity toward oxygen reduction reaction (ORR). The ORR activity is highly dependent on the structure of the catalyst. In this paper, Pt-Ni nanourchins were synthesized with an average size of 50 nm consisting of 10-20 nanorods and nanooctahedra by adjusting the synthesis condition. The formation of Pt-Ni nanourchins is mainly dependent on the adding order of solvents (benzyl ether, oleylamine and oleic acid). Pt-Ni nanourchins present a reasonable high ORR activity (0.81 A/mg at 0.9 V). 展开更多
关键词 Pt-Ni alloys nanourchins oxygen reduction reaction shape control fuel cells
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Organic frameworks confined Cu single atoms and nanoclusters for tandem electrocatalytic CO_(2) reduction to methane 被引量:1
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作者 Qinglan Zhao Yian Wang +9 位作者 Meng Li shangqian zhu Tiehuai Li Jixiang Yang Ting Lin Ernest PDelmo Yinuo Wang Juhee Jang Meng Gu Minhua Shao 《SmartMat》 2022年第1期183-193,共11页
The electrochemical reduction reaction of carbon dioxide(CO_(2)RR)is considered to be an effective way to realize carbon neutrality.As a type of intensively studied materials,covalent organic frameworks(COFs)with a tu... The electrochemical reduction reaction of carbon dioxide(CO_(2)RR)is considered to be an effective way to realize carbon neutrality.As a type of intensively studied materials,covalent organic frameworks(COFs)with a tunable pore structure and various functional groups are promising catalysts for CO_(2)RR.Herein,COF synthesized by 2,6‐diaminoanthraquinone and 2,4,6‐triformylphloroglucinol is employed to assist the synthesis of electrocatalysts from Cu single atoms(SAs)to nanoclusters by controlling the electrodeposition.A tandem catalyst for CO_(2)‐to‐CH4 conversion is thus achieved by the Cu nanoclusters dispersed among the isolated Cu SAs in the COF network.It is proposed that CO_(2) is first reduced to CO over the atomically isolated Cu SAs,followed by diffusion onto the neighboring Cu nanoclusters for further reduction into CH4.In addition,mechanistic analysis suggests that the coordinated K^(+)ions on the COF network promote the activation of CO_(2) and the adsorption of reaction intermediates,thus realizing the suppressed hydrogen evolution reaction and selective production of CH4.This study presents a new insight of COFs for the confined synthesis of a tunable SA to nanocluster electrocatalysts,disclosing the great potential of COFs in electrocatalysis. 展开更多
关键词 carbon neutrality CO_(2)reduction reaction covalent organic framework NANOCLUSTER single atom
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