微分电化学质谱测定石墨在析氧反应中的结构腐蚀

电催化析氧反应(OER)不仅是电解水制氢的半反应,也是电催化二氧化碳还原、氮气还原、硝酸根还原、有机小分子还原、金属-空气电池的重要半反应。OER过程是通过四电子机制驱动的。由于OER自身缓慢而复杂的动力学及其自带的强氧化特性,研究电催化材料在OER中的氧化重构规律及其催化机制,对于提高析氧反应的效率意义重大。碳材料作为一类无金属电极材料广泛应用于电催化过程中,其价格低廉、储量丰富、活性、稳定性高,是一种有潜力的OER催化剂。碳材料表面的含氧官能团已被证明是OER的活性位点,但在更高的氧化电位下,由于缺乏对活性位点演化机制的认识,导致对碳材料OER性能的失活机制仍不清楚。正确识别出析氧条件下碳材料的活性位点已成为该领域的研究热点。然而,非原位的表征技术,如X射线衍射技术、扫描电子显微镜技术等难以反映碳材料在工作条件下的催化状态。因此,本文以石墨作为模型材料,利用微分电化学质谱(DEMS)探究石墨在OER过程中的结构变化,研究测试过程中外加电压和电解液pH值对石墨氧化的影响。结果表明,在酸性(pH 0)、中性(pH 7)和碱性(pH 14)条件下,高纯石墨片均是先发生自身的氧化并产生氧化官能团;随着电位的增加,酸性、中性和碱性环境中的石墨阳极均在1.6 V vs.可逆氢电极(RHE)产生CO_(2)和CO,且CO_(2)产量逐渐增大;在酸性条件下,O_(2)的生成电位高于CO_(2),而碱性条件则相反。因此,在碱性条件下,高纯石墨片在一定的电位区间下可以作为OER催化剂使用。本工作不仅揭示了碳材料在电化学氧化条件下全pH值范围内的结构转化规律和相应的演化产物,也提出了碳材料作为OER催化剂时可行的电位操作区间。

IC厌氧反应器处理技术的应用研究及发展

IC厌氧反应器是第三代厌氧反应器,已广泛应用于高浓度有机废水处理。介绍了厌氧生物处理技术的特点及厌氧生物反应器的发展,重点介绍了IC厌氧反应器的构造、反应原理、特点、应用现状及发展趋势等,以期为IC厌氧反应器的应用提供参考。

钨掺杂镍铁水滑石高效电催化析氧反应

电解水对制备可持续和清洁的氢气能源至关重要。电解水的阳极析氧反应设计复杂的4-电子转移过程,所需能耗较高,是电解水的速控步骤。催化剂对于析氧反应的进行具有重要作用。镍铁水滑石是最具潜力的碱性非贵金属析氧反应(OER)催化剂,但是由于水滑石导电性差、活性位点暴露不充分、对反应中间体吸附较弱等问题,催化活性还需要进一步提高。如何提升催化活性已经被科学家们广泛关注,比如:制造缺陷、掺杂、将水滑石剥离为单层结构和组装为阵列结构等。在本论文中,通过简单的“一锅法”醇解合成了一系列不同量W掺杂NiFe-LDH的样品。XRD结果表明合成的NiFeW-LDH的衍射峰与完美NiFe-LDH标准卡片相同,没有其他的衍射峰,表明W没有单独成相,被成功掺杂进入NiFe-LDH。扫描电镜表明NiFeW-LDH为纳米片(尺寸约为~500 nm)组成的3d立体花状结构,且材料中Ni、Fe和W均匀分布。XPS表明材料中W的价态为6+,与未掺杂的NiFe-LDH相比,Fe向高价态移动,表面吸附的OH增多。在密度泛函理论(DFT)计算中,结果同样表明W6+掺杂有利于H2O和O*中间体的吸附,提高了Fe位点的活性。在1 mol∙L^(−1) KOH中,NiFeW-LDH达到10 mA·cm^(−2)所需过电位是199和237 mV,这比大多数的NiFe基粉末催化剂的性能好。综上,实验和计算表明W掺杂调控催化剂中Fe位点电子结构,优化对反应中间体的吸附,使催化剂具有更高活性。

Co-Cu双金属MOF纳米片的合成及电催化析氧反应研究

析氧反应(OER)是电解水制氢的阳极反应,其反应速度仅为阴极析氢反应(HER)速度的十分之一。为了加快反应速度,通常需要使用RuO_(2)等贵金属催化剂,但贵金属的稀缺性及较低的催化活性限制了其发展。金属有机框架(MOFs)材料是一类非常具有发展前景的OER电催化剂,然而目前MOFs在电催化OER中的应用也面临诸多问题,例如制备过程复杂、配体价格昂贵、催化活性低等。在此,提出了一种简易的表面活性剂辅助法制备Co-Cu双金属MOF纳米片的方法,在室温下搅拌对苯二甲酸和硝酸铜、硝酸钴,十二烷基硫酸钠的混合溶液,即可得到尺寸约为100~200nm的Co-Cu MOF纳米片。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等手段对材料结构进行了表征。电催化OER性能测试表明,Co-Cu MOF(n_(Co)∶n_(Cu)=2∶1)在碱性条件下对OER反应具有优异的OER活性,达到电流密度10mA/cm^(2)时的过电位(η_(10))仅为320mV,明显优于单一的Co MOF(430mV)和Cu MOF(几乎没有活性)。理论研究表明,Cu^(2+)的加入能提高Co MOF中Co的氧化态,进而提高其OER活性。该法操作简单、原料价格便宜,适合大规模生产,具有较好的应用前景。

调控双钙钛矿中高熵组分促进高温析氧反应

固体氧化物电解池(SOEC)中阳极析氧反应动力学较为迟缓,限制了SOEC器件电催化转化能力,因此针对阳极材料的改性研究对于进一步提升SOEC电化学性能十分关键。高熵钙钛矿(HEP)在许多反应中表现出良好的催化活性,但在SOEC中的应用鲜有研究。本文通过在双钙钛矿的A位或A'位分别掺杂不同的稀土金属、碱土金属或碱金属离子,合成了(Pr_(0.2)La_(0.2)Sm_(0.2)Nd_(0.2)Gd_(0.2))BaCo_(2)O_(6-δ)(A-HEP)和Pr(Ba_(0.2)Sr_(0.2)Ca_(0.2)Na_(0.2)K_(0.2))Co_(2)O_(6-δ)(A'-HEP)两种高熵钙钛矿材料。由于掺杂离子平均半径和氧化态的差异,A-HEP保持四方双钙钛矿相结构而A'-HEP则转变为正交单钙钛矿相。物理化学表征结果表明,A-HEP中Co平均价态更高,Co 2p-O 1s杂化更强,从而增加了电子转移路径并降低了转移能垒。同时,A-HEP中表面氧空位浓度更高,可为阳极析氧反应提供更多的活性位点。因此,在具有A-HEP阳极的SOEC中,与氧输运、电子传输和表界面反应过程相关的阳极极化电阻显著降低,并在800℃下实现最高1.76 A·cm^(-2)的电流密度和200 h的稳定性。本工作为高熵钙钛矿材料在SOEC阳极中的应用提供了新的策略。

DES合成高活性CoCO_(3)纳米片及析氧反应性能研究

氢能因其热值高、清洁无污染等优势,被认为是实现碳中和最有效的能源载体之一。电解水制氢是实现可持续制氢的有效途径。其中,析氧反应(OER)缓慢动力学过程导致水分解效率低下,迫切需要开发高效、稳定的电催化剂。利用多元醇、尿素与CoCl_(2)·6H_(2)O之间的配位作用形成超分子三元低共熔溶剂(DES)体系,通过一锅溶剂热法构建表面粗糙的二维CoCO_(3)纳米片,用于提升电催化OER效率,并针对醇羟基数量对CoCO_(3)形貌及性能影响进行了探究。研究表明,丙三醇、尿素和CoCl_(2)·6H_(2)O三元DES体系制备的CoCO_(3)-Gly催化剂,呈现更蓬松、更薄、更粗糙的片状结构,具有更加优异的OER性能,电流密度在10 mA·cm-2时过电位311 mV,经24 h稳定性测试电流保留率达99%。

Fe^(3+)协同Ni基金属-有机框架提升电催化析氧反应活性的研究

采用溶剂热法合成了金属-有机框架材料(phen-Ni),然后通过掺杂异金属Fe^(3+)制备了Fe@phen-Ni电催化剂。利用X射线单晶衍射仪、X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对催化剂的物相、形貌及各成分化学状态进行表征。利用线性扫描伏安法(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)等研究了Fe@phen-Ni催化剂的电催化析氧(OER)性能。结果表明,当电流密度为10mA/cm^(2)时,Fe@phen-Ni的OER过电位为333mV,与phen-Ni相比显示出更优异的OER催化活性。Fe@phen-Ni电催化活性的提高归因于Fe^(3+)的引入,这不仅增加了电催化剂的活性位点,而且由于Fe^(3+)和Ni^(2+)的协同作用,促进了电子转移,从而提高了电催化活性。该工作不仅证实了异金属离子的掺杂有利于提高电催化析氧活性,而且为基于金属-有机框架材料制备电化学OER催化剂提供了新的思路。

强钴—氧键合作用提升缺陷型Co_(2)MnO_(4)酸性析氧反应稳定性

通过实验和理论已经验证钴基氧化物是一种很有前景的析氧反应(OER)催化剂。然而,普通的钴基催化剂在酸性环境中非常不稳定,在酸性电解质中容易被腐蚀。因此,在目前的研究中,设计出能在强酸性条件下同时保持活性和稳定性的析氧催化剂是实现大规模工业制氢应用的一项重要挑战。因此,我们报道了通过在四氧化三钴的尖晶石晶格中引入锰(Mn)从而产生富含缺陷的催化剂(CoMn_(1)O),它在酸性电解质中具有较长的使用寿命。我们利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和能量色散光谱(EDS)元素图研究了晶相结构和化学价态。在引入锰后,由于局部晶体结构的改变,产生了大量的缺陷。此外,随着锰含量的增加,可以观察到Co 2p光谱的红移,这表明Co的总价逐渐增加,形成了更稳定的Co-O键。此外,当Mn与Co的比例达到1(CoMn_(1)O)时,目标催化剂表现出良好的OER活性,在10和50mA·cm^(-2)时,过电位分别为415和552 mV。详细的物理表征和电化学测试表明,CoMn_(1)O比不含锰的Co_(3)O_(4)(CoMn_(0)O)能稳定4倍以上的时间。这可以归因于锰的引入调节了Co的电子密度偏向O,从而形成更稳定的Co-O键。Mn可以通过延缓Co活性位点的氧化速率来促进酸性氧的进化,并进一步提升稳定性。密度泛函理论(DFT)计算进一步分析了CoMn_(1)O和CoMn_(0)O的电子结构。与CoMn_(0)O相比,CoMn_(1)O中Co 3d的d带中心(εd)向费米能级(EF)移动。这表明CoMn_(1)O通过加强与OER中间物的键合作用从而降低了反应能垒。本研究为设计非贵金属电催化剂实现高效稳定的酸性析氧提供有前景的策略。

低温熔盐辅助铈掺杂钴基氢氧化物用于工业级电催化析氧反应

开发低成本、高性能的析氧电催化剂提升电化学水分解的效率,对于氢能的大规模利用具有重要的意义。钴基氢氧化物是一类极具潜力的析氧(OER)电催化剂,但是较差的导电性与催化活性严重制约了其应用推广。本研究采用一步低温熔盐法合成了铈掺杂的硝酸氢氧化钴电催化剂(Ce-CoNH/CF)。该催化剂在1 mol/L KOH电解液中具有最低的过电位(448 mV@1000 mA/cm^(2))。塔菲尔(Tafel)斜率、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)测试表明,快速的反应动力学、高效的电化学活性比表面积(ECSA)和极低的电荷转移电阻(Rct)共同作用使得催化剂具有优异的性能。并且在实验室条件下的模拟工业化测试也表明,Ce-CoNH/CF在工业级高温、高浓度的电解液(6 mol/L KOH,70℃)中同样展现出了出色的析氧性能。

碳布负载的钴镍双金属沸石咪唑框架作为独立电极用于高效电催化析氧反应

开发低成本、高效和稳定的电催化剂对于加快水分解中的析氧反应(OER)速率,实现可再生、清洁和大规模能源转换技术至关重要。在本文中,我们开发了一种简单的方法来制备钴镍双金属沸石咪唑框架(CoNi-ZIF),通过低温热解去除客体分子将CoNi-ZIF纳米片牢固地负载到碳布(CoNi-ZIF-CC-200)上。组装的独立电极避免了对粘合剂的依赖和无效表面积的增加,从而显著提高了催化剂的催化活性和传质效率。电化学测试结果表明CoNi-ZIF-CC-200独立电极在OER过程中表现出良好的电化学活性和稳定性。CoNi-ZIF-CC-200独立电极在10 mA·cm^(-2)下表现出255 mV的低过电位,并且在恒电位测量过程中保持10 h以上的稳定运行。此外,由CoNi-ZIF-CC-200独立电极作为阳极和Pt/C作为阴极组成的水分解系统表现出优异的稳定性。

质子交换膜电解水用非贵金属基析氧反应催化剂的研究进展

质子交换膜(PEM)电解水制氢技术是可再生能源存储与转化的重要技术手段。目前,国内外研究者在非贵金属析氧反应(OER)催化剂方面开展了大量的工作。但是,在PEM电解水阳极的强酸性条件下,催化剂仍难以兼顾催化活性和稳定性。为此,本文对PEM电解水用非贵金属酸性介质OER催化剂的研究进行了系统总结和分析。首先,基于PEM装置的工作特点提出了PEM电解水用OER催化剂的性能指标;第二,阐述了OER催化过程的基本原理;第三,系统介绍了碳基材料、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属磷化物和多金属氧酸盐等非贵金属OER催化剂的研究进展,重点分析了其催化活性和稳定性的改进策略;最后,从PEM电解水需求和材料改性两方面对OER催化剂的设计进行了展望。

三维花状铜基复合物及其低温煅烧衍生物用于高效析氧反应

采用一种简单易行的方法来制备铜基电化学催化剂,该催化剂用于析氧反应。利用沸石咪唑酯骨架-67(ZIF-67)为前驱体,通过铜离子刻蚀合成新型铜基复合物(命名为Cu-NF)。它具有特殊的三维花状形貌和中孔结构,其形貌受铜离子与ZIF-67的质量比的影响。随后,Cu-NF经过低温煅烧处理,得到了不同温度下的衍生物,而煅烧过程并未改变其原始形貌。煅烧温度决定了活性物种的组成及含量,并增强了材料的多孔性。其中,300℃煅烧得到的产物Cu-NF-300具有最好的析氧反应性能:在1.0 mol·L^(-1)KOH溶液中,过电位低达347 mV,塔菲尔斜率为93 mV·dec^(-1)。该材料电化学性能的提高归因于其三维结构以及低温煅烧所带来的活化作用。

Ag掺杂γ-MnO_(2)酸性电催化析氧反应研究

高性能酸性电解水催化剂的开发是质子交换膜电解水技术的重要研究方向.我们通过将Ag掺杂到γ-MnO_(2)(MO)中,获得了高性能Ag-MnO_(2)(AMO)酸性析氧电催化剂.Ag的掺杂优化了MO的电子结构,提高了MO的析氧反应活性.最优催化剂获得10 mA∙cm^(−2)电流密度的过电位为398 mV,比MO降低了28 mV.此外,Ag的掺杂提高了MO的反应稳定性.最优催化剂在100 mA∙cm^(−2)的大电流密度下可稳定运行500 h以上,在高达500 mA∙cm^(−2)的电流密度下也可稳定运行50 h以上,是目前在大电流密度工作条件下最稳定的非贵金属酸性析氧电催化剂之一.

CuCo_(2)O_(4)/NiFe层状双金属氢氧化物核壳纳米花球阵列的高效析氧反应

采用界面工程策略在泡沫镍(NF)上制备了CuCo_(2)O_(4)/NiFe层状双金属氢氧化物(LDH)(CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF)核壳纳米花球阵列。研究表明,电子通过CuCo_(2)O_(4)和NiFe-LDH耦合界面发生转移,导致核心CuCo_(2)O_(4)处于富电子状态,从而提高了反应速率。非晶态NiFe-LDH外壳不仅为电子/物质提供更多的传输通道和增加活性位点。同时,还能在电催化析氧反应(OER)中保护核心CuCo_(2)O_(4)免受强碱腐蚀。因此,在1.0 mol·L^(-1)KOH溶液中,将CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF用作OER催化剂时,仅需191mV的低过电位即可实现10 mA·cm^(-2)的电流密度和31 mV·dec^(-1)的低Tafel斜率。此外,CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF在长时间的工作中能够保证催化性能、晶体结构、形貌结构和组成的稳定。

窄带隙β-CuFeO_(2)铁电光催化剂性质及表面析氧反应特性

铜铁矿(delafossite)型CuFeO_(2)具有窄带隙、良好稳定性被广泛用于光催化领域的研究,而其中心对称的层状结构使得光生载流子容易复合,限制了其光催化效果。β-CuFeO_(2)是一种具有相稳定,窄带隙,强极化的本征铁电半导体,利用其内禀的铁电极化性质,构建光生电子空穴生成位点交替排列的[011]表面,在铁电内建电场作用下促进电荷分离,从而提升光催化性能。基于第一性原理计算,本文首先确定β-CuFeO_(2)具有热力学稳定性,磁基态为C型反铁磁,且带隙为1.37 eV的直接带隙半导体,理论铁电极化为83.466μC/cm^(2),是良好的光催化剂载体。进一步地,以表面析氧反应(OER)为模型,通过构建非极化表面[100]、[010]和极化表面[001]、[011]研究铁电极化对OER的影响。结果表明,β-CuFeO_(2)的表面价带顶氧化还原电势大部分大于水氧化电势(1.23 eV),且极化表面更易形成。此外,在极化方向上,完全暴露Cu-O原子,Cu,Fe原子层交替排列的[011]表面最易吸附水分子且具有最优OER催化活性。对[011]表面OER决速步骤进行电子结构分析,发现在*O中间体上具有2个电子口袋,反应生成*OOH后消耗一个电子口袋,即空轨道上得到电子。这是[011]极化方向表面OER决速步骤的内在机理。本工作构建了β-CuFeO_(2)铁电半导体并通过理论模拟计算了其基本性质,构建了不同方向表面研究铁电极化对光催化OER活性的影响,将为铁电光催化剂设计提供理论依据。

有机框架结构对NiFe-MOF析氧反应的影响

合理设计用于电解水制氢阳极析氧反应(OER)的高活性电催化剂对清洁能源和生态可持续发展至关重要。然而,由于OER四电子转移的动力学过程较为缓慢,导致过电位较高,开发高效的阳极催化剂仍是一个重大挑战。金属有机框架(MOF)因结构多样性和超高的比表面积被视为有潜力的OER电催化剂。NiFe双金属材料具有优异的阳极析氧催化活性,但针对MOF材料活性的调控主要集中在金属中心的设计上,而阴离子有机配体对阳极析氧催化活性的影响依然未知。因此,采用溶剂热法构建具有等网状结构的系列羧酸型NiFe-MOF来阐明羧酸连接体不同长度对OER性能的影响(三种不同的有机配体分别为:对苯二甲酸(BDC)、2,6-萘二甲酸(NDC)和4,4′-联苯二甲酸(BPDC))。通过X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱,分析了催化剂的性质、微观形貌和电荷结构,并在1 mol/L KOH溶液中进行了电化学测试。结果表明:NiFe-BDC在10 mA/cm^(2)的电流密度处过电位仅为223 mV,远低于NiFe-NDC和NiFe-BPDC的过电位,二者此处的过电位分别为267 mV和284 mV;此外,NiFe-BDC在长时间测试中表现了出色的稳定性(200 h),其优异的性能主要归因于有机配体在催化中起到优化电荷结构的作用,并且展现出丰富的活性中心,共同促进了OER电催化性能。

二维M_(2)X_(2)(M:Mo、W和X:F、Cl)析氢和析氧反应的电催化性能

以剥离密排六方结构(HCP)的块状金属,形成单层金属薄膜为切入点,通过用卤素原子钝化中间金属层的方法,形成了一类稳定的ABAB堆叠的金属卤素化合物.对比了*O中吸附O原子和不吸附O原子的Mo-d投影态密度图,期望揭示电子排布、成键状态与材料催化性能之间的关联.电子结构计算表明Mo_(2)X_(2)和W_(2)X_(2)具有很好的导电性.通过与过渡金属二硫化物(MoS 2)类比,将缺陷工程(卤素原子空位)引入活性位点,然后计算了其在四电子转移析氧反应中的反应能垒,发现它们具有良好的催化性能,其中,W 2Cl 2的析氧催化性能最好,过电位仅有1.95 V.最后,通过详细分析电子、轨道之间耦合作用,给出了清晰的物理图像.

金属-有机框架材料催化析氧反应的研究进展

面对日益严峻的环境问题,我国提出了“碳中和、碳达峰”的宏伟目标,清洁能源是实现双碳目标的有效手段之一。电解水制氢是一种制备清洁能源的重要方法,然而,电解水过程中析氧反应的缓慢动力学和较高过电位是妨碍水裂解效率的关键因素。金属–有机骨架材料(metalorganic framework,MOF)由于其规整的微观结构、较大的比表面积和可调的孔径等优点,被认为是电解水制氢的优异催化剂。综述了MOF材料用于催化析氧反应的最新研究进展,分析了该类材料的设计策略和催化机制。系统归纳了MOF基催化剂的各种调制策略,包括结晶度调制、电子调制、缺陷调制以及形态调制,并且对MOF材料作为析氧反应催化剂面临的挑战和机遇做出了展望。

泡沫镍支撑Ru基析氢/析氧反应电催化剂的研究进展

电催化水分解大规模制氢有望缓解能源危机和环境问题。对于阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER),开发高效、低成本的电催化剂是加速反应过程和降低能耗的迫切需要。以泡沫镍为基底的Ru基电催化剂是一类具有高比表面积、高导电性和高稳定性的电催化材料,可用于提高电催化反应的效率和选择性。综述了以泡沫镍为基底的Ru基电催化剂的研究进展,讨论了制备高效Ru基电催化剂的前景和面临的挑战。

强化循环厌氧反应器处理印染废水的厌氧颗粒污泥特性研究

利用强化循环厌氧反应器(SCAR)中试规模处理实际印染废水。强化循环厌氧反应器接种厌氧颗粒污泥后启动运行93 d,研究启动过程中不同水力停留时间(HRT)下反应器内厌氧颗粒污泥的浓度、沉降速度、脱氢酶活性、辅酶F420、胞外多聚物等特性指标。结果表明:随着HRT的缩短,系统内SS和VSS的含量都呈先减少后增加的趋势,当HRT为13.5 h时,SS和VSS均达到最大值,分别为66.3 g/L、47.3 g/L;反应器内厌氧颗粒污泥具有良好的沉降性能,其沉降速度与粒径成正比,0.5~5.0 mm颗粒污泥的沉降速度介于55.2~163.8 m/h之间;颗粒污泥中脱氢酶活性和辅酶F420含量的变化趋势基本一致,随着HRT的缩短,两者含量逐步上升并趋于稳定,在HRT为13.5时达到最大值,分别为8.5 mg/(g·h)、0.2μmol/g;颗粒污泥的胞外多聚物中,蛋白质含量较多,蛋白质与多糖的比值在1.4~3.1之间;启动完成后颗粒污泥表面扫描电镜观察发现,厌氧颗粒污泥中古细菌巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri)占优势。