氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴:一种高效的非贵金属氧还原电催化剂（英文）

规模化生产低成本和高效率的氧还原电催化剂在当今仍然是严峻的挑战。本文以三聚氰胺、三聚硫氰酸和硝酸钴作为原料,通过两步热解合成了一种新的氮、硫共掺杂的碳负载的钴@碳化钴(标记为MTC-0.1-900)氧还原催化剂。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、比表面分析和X射线光电子能谱分析对该催化剂进行了表征,并采用循环伏安和线性扫描伏安曲线等方法测试其在0.1 mol?L^(-1) KOH中的氧还原性能。结果显示,与商业Pt/C催化剂相比,MTC-0.1-900的起始电位和半波电位分别高出了29和5 mV。在-0.3 V(vs Ag/AgCl)电位下工作12000 s后,MTC-0.1-900催化剂的电流可达到起始电流的97.1%,高于Pt/C催化剂的76.7%,显示出该催化剂具有更稳定的性能。抗甲醇实验表明,MTC-0.1-900的对氧还原的选择性也要优于Pt/C。该催化剂优良的性能为金属空气电池阴极材料提供了一种减少或者取代Pt的新选择。

等离子体增强原子层沉积技术制备碳化钴薄膜

报道了一种新型PE-ALD工艺用于沉积碳化钴薄膜。以脒基钴为前驱体,在氢等离子体作用下,成功制备了碳化钴薄膜。薄膜厚度与沉积循环关系显示薄膜生长为理想的逐层生长行为,100℃下薄膜生长速率为0.066 nm/cycle。利用XRD和TEM对所沉积的薄膜进行表征,结果表明薄膜是多晶的六方晶系Co3C晶体结构。XPS的结果表明沉积的碳化钴膜具有高纯度。在深宽比高达20:1的硅基底沟槽中研究碳化钴薄膜的保型性,显示该PE-ALD工艺可以沉积厚度均匀、光滑且高度保形的碳化钴薄膜,这有利于在高深宽比的3D结构中的涂覆并且在负载催化剂领域具有潜在应用。

碳化钴/氮掺杂碳纳米管复合材料在酸性介质中的氧还原特性研究

采用高温退火法分解碳纳米管(CNTs)和含钴大环化合物[Cobalt(Ⅱ)meso-tetrakis(4-methoxyphonyl)-porpine]的混合物,制备得到碳化钴/氮掺杂碳纳米管复合材料。SEM、XRD等手段证实碳化钴成功地复合到氮掺杂的碳纳米管中。LSV等电化学测试表明,其在酸性条件下表现出可与商业Pt/C相比拟的催化活性、稳定性和抗甲醇毒性,甚至优于商业Pt/C。

石墨烯/碳化钴钼复合材料作为微生物燃料电池阴极催化剂的研究

用改良Hummers法和碳热还原法分别制备了石墨烯和碳化钴钼。用透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)表征了材料的形貌和结构。用循环伏安(CV)表征了其氧还原(ORR)催化性能,结果表明,复合材料的氧还原峰电流和起峰电位均大大优于单一材料。旋转圆盘电极(RDE)实验表明复合材料的氧还原反应为高效的四电子转移过程。含有6 mg·cm^(-2)石墨烯/碳化钴钼复合材料作为阴极催化剂的微生物燃料电池(MFCs)最大功率密度为418 mW·m^(-2),达到商业铂碳的68.3%。因此,廉价的石墨烯/碳化钴钼复合材料作为MFCs阴极氧还原催化剂具有巨大的应用潜力。

金属助剂对合成气制高碳醇Co/AC催化剂性能影响

本实验考察了不同金属助剂(Mn、Zn、La和Zr)对活性炭负载的Co基催化剂(Co/AC)在合成气转化中的活性和产物选择性调控的影响。结果表明,这些金属助剂对CO解离速率,Co_(2)C生成以及醇类产物选择性都有明显的促进作用。所构筑的Co_(2)C/Co^(0)构成了高碳醇合成所需的双活性位结构。其中,Zn修饰的Co/AC催化剂表现出最强的CO解离速率、最高的活性和醇类产物的时空收率。Mn助剂最有利于Co_(2)C的生成,但过高的Co_(2)C/Co^(0)比例导致活性略有下降。Zr和La助剂修饰的催化剂具有相似的CO解离速率和催化活性,但CoZr/AC催化剂适宜的Co_(2)C/Co^(0)比及界面环境更有利于实现CO解离和CO非解离功能的协同,从而表现出最高的醇产物选择性。

Co_(3)ZnC@C促进g-C_(3)N_(4)光催化产氢及其机理

光催化产氢技术是实现太阳能到绿色氢能转化的有效途径,然而其实际应用受到高成本、低效率的限制。本文通过简单的沉淀-煅烧法合成一种独特的碳包覆Co_(3)ZnC纳米颗粒(Co_(3)ZnC@C),将其作为助催化剂,与光催化剂g-C_(3)N_(4)耦合构建新颖的不含贵金属的复合光催化剂Co_(3)ZnC@C/g-C_(3)N_(4),并对其结构和形貌进行表征,对其光催化产氢性能进行研究。实验结果表明:Co_(3)ZnC@C/g-C_(3)N_(4)的光催化产氢速率是纯g-C_(3)N_(4)的109倍,催化产氢速率大幅提高是因为Co_(3)ZnC@C作为助催化剂负载在g-C_(3)N_(4)的表面,能够促进g-C_(3)N_(4)的电荷分离,加快其表面析氢反应速率。该研究拓宽了金属碳化物材料的应用范围,为设计先进的太阳能转换光催化剂提供了新的途径。

活性炭负载钴基催化剂上合成气制混合醇

在两种分别来自椰壳炭和杏核炭的活性炭AC1和AC2上,采用真空浸渍法制备了Co基催化剂15%Co/AC1和15Co%/AC2,并考察了其在CO氢化反应中的催化性能.结果表明,AC1和AC2的孔结构基本相同,但表面含氧官能团的数量和种类不同.含氧官能团影响了催化剂Co物种的形态,从而使催化剂在反应中表现出不同的性能.助剂K和Zr的添加改变了15%Co/AC1催化剂的活性和选择性.在3.0MPa,495K,H2/CO(体积比)=2和GHSV=500h-1反应条件下,15%Co/AC1和15%Co/AC2上C1～C18醇的选择性分别为20.6%和9.6%.在其它条件不变,GHSV=1500h-1反应条件下,15%Co-0.01%K-2%Zr/AC1催化剂上CO转化率和醇选择性分别为28.0%和34.3%,液相产物中醇占60.9%,其中C6～C18高碳醇占液相产物的20.6%.

还原温度对Co-La-Zr/AC催化剂合成气制高碳混合醇性能的影响

采用共浸渍法制备了Co-La-Zr/AC催化剂并考察了不同温度还原的催化剂的CO加氢催化性能.结果表明,在3.0MPa,495K,H2/CO(V/V)=2和GHSV=500h-1条件下,经703K还原的催化剂,CO的转化率和醇的选择性分别为59.1%和42.0%,其中C6～C18的高碳醇在总醇中占到50.4%.XRD结果显示,反应后催化剂的主要物相为金属态的钴和碳化钴(Co2C).还原温度可影响催化剂中钴的晶粒分散度和碳化钴的生成.碳化钴的形成可能在合成气生成醇类的反应中起重要作用.

活性炭负载的钴基催化剂催化费托合成反应一步合成C_1-C_(18)混合醇:二氧化硅助剂的作用（英文）

采用费托合成反应以及X射线衍射、H2程序升温还原、CO脉冲化学吸附和N2物理吸附表征手段研究了Si O2助剂对活性炭负载的钴基催化剂上生成C1-C18混合醇的影响.结果表明,Si O2的添加抑制了钴物种的还原,但提高了钴物种的分散度,同时抑制了金属钴颗粒在反应过程中的团聚,从而显著提高了催化剂的活性.适量Si O2的添加促进了碳化钴的生成,从而提高了总醇选择性.重要的是,通过Si O2抑制钴物种的还原,导致大量二价钴物种的生成,从而有助于CO插入到碳链中间体中而使高碳醇容易生成.

微量Li助剂对Co/AC催化剂合成高碳醇性能的影响

采用等体积浸渍法制备了含微量Li的15CoxLi/AC催化剂,考察了微量Li助剂对15Co/AC催化剂上CO加氢合成高碳醇性能的影响.采用X射线衍射、程序升温还原和程序升温表面反应技术对15CoxLi/AC催化剂进行了表征,结果表明,微量Li的添加可以提高催化剂上CO加氢活性、生成C5+烃的选择性、合成醇的选择性以及高碳醇的分布.这主要是由于微量Li助剂与Co物种形成了弱相互作用,促进了催化剂Co物种的分散,形成较小Co晶粒,促进了Co2C的形成.

碳纤维布/二硒化钴的合成及其在锂硫电池中的应用

通过在自支撑碳纤维布(CFC)上生长CoSe_(2)催化剂,促进对可溶性多硫离子的吸附与催化转化,达到抑制其在锂硫电池中穿梭效应的目的。采用常温电沉积法在CFC上生长Co(OH)_(2)纳米片,得到CFC/Co(OH)_(2)_(2)前驱体,然后通过气相硒化技术将该前驱体转变为CFC/CoSe_(2)_(2)纳米片复合材料。将CFC/CoSe_(2)用作锂硫电池中间层,并研究其催化性能对锂硫电池电化学性能的影响。研究结果表明,极性CoSe_(2)纳米片对多硫化物具有强化学吸附和高催化活性,有利于促进多硫化锂的转化,抑制穿梭效应。此外,导电CFC能够改善电子传输,减小电池的极化。相比于CFC中间层电池,CFC/CoSe_(2)中间层电池具有更高的倍率性能和良好的循环性能,在0.2 C(1 C=1672 mA/g)电流密度下电池的初始放电比容量为1 408 mA·h/g,在1 C的电流密度下循环500次后的放电比容量仍有755 mA·h/g,容量衰减率仅为0.060 4%。

炭载体对钴基催化剂制混合醇的影响

考察了椰壳炭、HSAG(一种商品石墨)载体对钴基催化剂CO加氢制高碳醇转化率和选择性的影响。采用N2物理吸附、EDS、H2-TPR、In-situ XRD等技术对催化剂进行表征。研究结果表明,硝酸处理过的椰壳活性炭为载体的15Co/AC催化剂的醇选择性高(19.9%),而CO转化率低(25.4%);HSAG为载体并经硝酸处理后制备的15Co/HSAG催化剂的CO转化率高(87.3%),而醇的选择性低(4.5%)。造成两者差别的主要原因两种载体性质不同,椰壳活性炭表面的S含量高,其负载的催化剂较易形成醇的活性中心Co2C,而HSAG负载的催化剂较难形成醇的活性中心。

费托合成制低碳烯烃中碱金属对CoMn催化剂催化性能的影响

碳化钴(Co2C)在费托合成制低碳烯烃(Fischer-Tropsch to Olefin, FTO)中起着重要的催化作用。通过X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)、X射线吸收精细结构(X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)等表征与方法,对碱金属在CoMn催化FTO中形成碳化钴的影响进行了研究。在钠(Na)、钾(K)元素的影响下,CoMn催化剂在活性评测中,低碳非饱和烃与低碳饱和烃的比例高达17.4与9.4,且仅有较低的甲烷(CH4)产生,而锂(Li)对CoMn催化剂的选择性影响较弱。通过XRD表征,发现Na、K对CoMn催化剂形成Co2C有很好的促进效果。XAFS揭示了CoMn催化剂的电子结构,催化反应后形成碳化钴的配位结构,为研究CoMn催化剂微观结构提供了基础理论。

调控Co_(2)C局域浸润环境实现高碳效合成气直接制烯烃

合成气转化是实现煤、天然气、生物质、固体废弃物及CO_(2)等非石油含碳资源清洁高效利用的关键过程,可合成多种清洁液体燃料和高附加值化学品,如汽油、柴油、航空煤油、固体石蜡、烯烃、芳烃和含氧化合物等.其中,合成气直接制烯烃(STO)具有流程短、能耗低和经济性高等优点,备受学术界和工业界关注.近年来,合成气直接制烯烃取得了突破性进展,发展了基于氧化物-分子筛的双功能路线法以及改性费托路线法.然而,由于目前STO体系所使用的氧化物或者碳化物活性相同时也是水煤气变换(WGS)活性位点,导致反应过程产生30%-50%的CO_(2)副产物,造成较低的碳原子利用效率和烯烃收率,以及尾气产品分离能耗的增加.如何通过催化剂界面和局域环境的调控,创新反应路径,提高烯烃选择性和收率,降低C1副产物选择性已成为重大挑战.本文提出通过发展界面浸润性调控策略,将CoMnAl复合氧化物(CMA)衍生的CO_(2)C活性相与疏水SiO_(2)进行一定尺度的物理耦合,能够将CO_(2)选择性从47.8%降到16.8%,同时催化剂的活性提高30%,总产物中烯烃选择性也提高了~65%,体现出较高的碳效.FI-IR光谱和接触角测试结果表明,疏水基团成功引入到SiO_(2)载体上,并且通过粉末混合的方式获得了同样具备疏水特性的CoMnAl复合催化剂(CMASc).热重(TG-DTG)结果表明,即使样品经过300℃的高温处理,其疏水性仍然能得到保持.X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)表征结果表明,复合氧化物的活性中心仍是棱柱状Co_(2)C.进一步表征和探针实验解释了催化剂浸润性调变对Co_(2)C基催化剂FTO性能的影响.CO/H_(2)O-TPSR-MS实验表明,往体系中引入H_(2)O蒸气,CMASc催化剂产生的CO_(2)信号强度远低于单独CMA催化剂的.CO/H_(2)-TPSR-MS实验结果表明,在相同的温度下,CMASc催化剂上产生的H_(2)O信号强度高于CMA,而相应的CO_(2)信号强度则要低很多.在250-400℃,将产生的CO_(2)信号峰面积进行积分,发现CMA产生的CO_(2)浓度是CMASc的2.3倍.利用固定床开展CO/H_(2)和CO/H_(2)O探针切换实验,结果表明,在典型FTO反应条件下引入水蒸气到CMA催化剂体系后,CO转化率和尾气H_(2)/CO比大幅度提高,而CMASc上则出现相反趋势.这些实验证实了H_(2)O分子容易吸附在CMA上发生WGS反应,而在Co_(2)C活性位界面构建局域疏水环境有利于水分子快速转移,并防止其再次吸附.利用CO-DRIFTS和烯烃-H_(2)脉冲实验研究活性和烯烃选择性提高的原因.相比于CMA,CO更容易吸附在疏水CMASc上.H_(2)O的引入会导致CO在两个催化剂的强度变弱,但CMASc上吸附的CO强度仍要高于CMA.这说明活性位点存在水会阻碍CO的吸附,而CMASc上相对干燥的表面更有利于CO吸附及后续活化.调控H_(2)O分压探针实验也在宏观层面上验证了该结论,说明活性中心吸附的H_(2)O会抑制催化活性.丙烯加氢脉冲实验发现,浸润环境可以极大地影响烯烃的吸附和加氢能力.在H_(2)O存在的情况下,丙烯更容易在CMA上发生加氢生成丙烷,而疏水CMASc上丙烯更容易直接脱落,从而提高了烯烃选择性.综上,通过调控Co_(2)C活性位局域疏水环境,可以降低表面H_(2)O的吸附,抑制CO_(2)副产物生成,同时强化CO吸附和烯烃脱附,提高烯烃选择性和收率,这为高碳效Co_(2)C基催化剂的理性设计提供借鉴.

Li助剂对Co/AC催化剂上CO加氢制直链混合伯醇反应性能的影响

采用CO加氢反应、X射线衍射、程序升温还原和CO程序升温脱附等技术研究了Li助剂对活性炭负载的Co催化剂(Co/AC)上CO加氢反应性能的影响.结果表明,Li的添加抑制了气态烃的生成,提高了C5+和直链混合伯醇的选择性,但催化剂活性下降.这可能源于Li的加入抑制了Co2+物种的还原,降低了反应速控步骤——强吸附CO的解离能力.另外,Li也促进了Co2C物种的生成,使得产物中混合醇的比例增加.

化学气相反应法制备Zr-Si-C涂层

为了提高Zr-Si-C涂层与基体的结合强度,基于粉末埋入反应辅助涂覆工艺,采用新型化学气相反应法在SiC陶瓷表面制备Zr-Si-C涂层。SiC陶瓷基片被包埋于Zr-1%(质量分数)I_2混合粉体中,在850～1100℃进行化学气相反应。碘促进Zr原子向SiC陶瓷表面的传输,Zr与SiC之间的扩散反应导致在SiC表面生成连续的Zr-Si-C复合涂层。采用X射线衍射、扫描电镜结合X射线能谱分析以及相图分析确定了涂层微结构及相组成。结果表明:复合涂层内层为ZrC、中间层为Zr_2Si-ZrC_(1-x)复相区、外层为ZrC_(1-x)。通过测量涂层厚度研究了涂层的生长动力学.在850～1100℃范围内,涂层生长符合抛物线规律,活化能为(210±20)kJ/mol。

费托合成：SiO2和Al2O3负载的Co2C催化剂的表征和评价

采用CO碳化SiO2和Al3O4负载的Co(NO3)2的方法制备了SiO2和Al3O4负载的Co2C催化剂,采用N2物理吸附、X射线衍射和H2-程序升温还原技术对催化剂进行了表征,并用于催化费托合成反应中.结果显示,需要较长碳化时间才可合成负载的Co2C催化剂;所制催化剂表现出CO加氢生成高碳醇的催化性能,其原因可能在于催化剂表面存在的金属Co物种使CO解离,表面Co物种有利于CO插入,从而导致醇的生成,但体相Co2C则不具有催化活性.

单相Co2C的制备及其费-托合成催化性能研究

采用CO与金属钴在温度280℃,压力2 MPa的条件下反应48 h后制备得到单相Co_2C催化剂。通过XRD、H2-TPR、TEM和XAS对催化剂的结构和组成进行表征并考察了单相Co_2C催化剂在费-托合成反应中的稳定性与催化性能。结果表明,随着费-托合成反应的进行,Co_2C催化剂的活性缓慢上升,同时伴随着产物中甲烷的选择性逐渐降低,C5+的选择性逐渐升高。对比反应前后催化剂发现,反应后的催化剂为Co_2C和少量金属Co的混合相,表明在费-托合成反应条件下,单相Co_2C会发生部分分解,生成的金属Co会导致CO的转化率和产物的选择性发生变化。

Na助剂对负载型Co_(2)C基FTO催化剂构效的影响

负载型催化剂具有活性组分分散度好、机械强度高等优点,在工业中应用广泛。围绕合成气经费托路线直接制备烯烃(FTO),本工作详细研究了Na助剂对SiO_(2)负载型Co_(2)C基催化剂构效关系的影响,发现随着Na含量的提高,CH_(4)选择性降低,烯烷比(物质的量之比)提高,烯烃选择性上升。结构表征表明:Na助剂的添加可有效调控SiO_(2)载体表面性质,弱化金属-载体间相互作用,促进CoMn复合氧化物的形成,同时加速Co物种的碳化速率,最终有利于暴露(101)和(020)晶面的棱柱状Co_(2)C纳米结构的形成,从而体现出良好的FTO催化性能。