面向大电流密度电解水的碳基催化剂研究进展

电解水体系可以在温和条件下制备氢气。得益于高比表面积、高电子传输性和原料丰富等优点,碳基电催化剂备受关注。商业用电解水装置需要在较低过电位下实现较大交换电流,进而实现氢气的持续快速生产。然而当前实验室研究的重心大多放在小电流服役工况,对于大电流工况下的系列问题关注较少。研究表明,电解水体系在不同电流密度下表现出的问题差异较大,其影响因素包括气泡、电催化剂局域微环境和电极稳定性等。本综述,首先对碳基电解水催化剂的发展现状进行了总结,大电流模式下暴露出的问题与挑战进行了讨论,并提出可能有效的解决方法,以实现能满足大电流密度要求的高活性高稳定性碳基电催化剂的研发。

MnO_(x)/Mn-N/C碳基催化剂高效分解酸性过氧化氢

利用廉价的尿素与MnCl_(2)均匀混合并高温(550℃)碳化,制备了兼具MnO_(x)与Mn-N活位点的碳基催化剂(MnO_(x)/Mn-N/C)。形貌和结构分析表明,MnO_(x)/Mn-N/C表面含有丰富的MnO_(x)与Mn-N活性位点,且具有优异的电子传输性能,可催化H_(2)O_(2)分解为H_(2)O和O_(2),抑制强氧化性·OH的生成。60℃时,经MnO_(x)/Mn-N/C催化反应1 h,H_(2)O_(2)溶液(p H=4.0,质量分数为1.2%)的分解效率接近100%。此工作设计制备的催化剂原料廉价易得、制备简便,实现了酸性条件下H_(2)O_(2)的高效定性分解,为酸性条件下H_(2)O_(2)的分解提供了新思路。

碳基催化剂用于电催化氧还原生产H_(2)O_(2)的研究进展:策略、计算及实际应用

过氧化氢(H_(2)O_(2))作为一种多功能且环保的氧化剂,在工业生产、漂白、消毒和废水处理等领域都发挥着重要作用.传统的蒽醌工艺由于不环保、不安全且流程复杂,无法成为批量生产过氧化氢的最佳选择.基于电化学氧还原反应(ORR)的合成方法是一种有价值的替代蒽醌生产的方法.通常,H_(2)O_(2)可以通过2e^(-)ORR过程合成.碳基催化剂因储量丰富、成本低、结构可调和导电性好等优点,被认为是用于2e^(-)ORR的最佳催化剂之一.本文综合评述了近年来碳基催化剂在电化学合成H_(2)O_(2)方面的研究进展.首先,介绍了2e^(-)ORR过程的基本原理,揭示了影响ORR路径的关键因素;然后,阐述了密度泛函理论(DFT)计算对揭示催化活性位点的关键作用,并指明火山图是一种预测催化剂选择性的重要工具;综合评述了促进H_(2)O_(2)产生的几种有效策略(优化金属单原子、构建催化剂表面缺陷工程、引入吡咯氮、掺杂含氧官能团及掺杂其它杂原子);介绍了批量生产H_(2)O_(2)的装置发展及其优缺点;最后,展望了电化学合成H_(2)O_(2)在未来发展中可能面临的机遇和挑战.

有序孔木质素碳基催化剂催化生物质油模型化合物加氢脱氧

以木质素为原料,通过浸渍—热处理方法得到了系列不同Ni、Co含量的木质素碳基催化剂,通过X射线衍射(XRD)、N_(2)物理吸脱附、SEM以及H_(2)-TPR等技术对其结构和物化性能进行了表征,并考察了制备材料在以苯酚和正十氢萘混合物为生物质油模型化合物中的加氢脱氧催化性能。结果表明,制备的系列材料结构相似,孔径分布有序,双金属前驱体限制了金属颗粒的生长,形成了均匀分散的小颗粒,具有更多的活性位点,其中Ni_(0.25)-Co_(0.25)/C金属还原温度最低,还原比例最高,具有更好的还原能力。在300℃,4 MPa,氢气10 mL/min、氢油体积比1000,催化剂0.1 g,反应时间2 h的反应条件下,苯酚转化率可达72.3%。

Mn/Fe改性碳基催化剂低温脱硝特性

以椰壳活性炭为载体,以硝酸锰和硝酸铁为活性添加组分,采用硝酸氧化、等体积浸渍、中低温煅烧等相结合的方法,制备了Mn-Fe/HAC碳基催化剂。利用固定床脱硝实验台对碳基催化剂脱硝性能进行了评价,并结合傅里叶转换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)、N;吸附-脱附、扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)-mapping和X-射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectrometry,XPS)等表征结果,探讨了碳基催化剂脱硝及其抗硫抗水机理。结果表明,Mn改性可以显著提升碳基催化剂的脱硝效率,Mn和Fe共同改性在有效提高碳基催化剂脱硝效率的基础上,使得其脱硝窗口温度下移至120℃。Mn-Fe改性催化剂的最佳负载量为7%Mn和0.5%Fe,最佳煅烧为中温400℃氮气煅烧与低温200℃空气煅烧组合煅烧法。Fe添加有效促进了Mn在碳基催化剂表面的均匀分布,并显著提高了Mn;和表面吸附氧(O;)的含量。在6%O;以及无水和SO;条件下,7Mn0.5Fe/HAC催化剂在温度为120℃下的脱硝效率可达82.0%,而在140-240℃脱硝效率则基本稳定在95%。Mn和Fe复合改性碳基催化剂具有良好的抗硫抗水性能,在温度为180℃、含有100μL/L SO;和6%H;O的模拟烟气下,7Mn0.5Fe/HAC催化剂的脱硝效率可达85%以上。

微波与碳基催化剂协同促进果糖制5-羟甲基糠醛

生物质转化为高附加值的化学品是替代石化产品的有效途径,微波与催化剂的协同作用有助于提升糖类的转化效率。碳材料具有良好的化学稳定性和介电性,是微波反应过程中理想的催化剂载体和吸波剂。为了探究碳基催化剂对微波场的响应能力,本文以4种碳材料为载体应用于果糖转化过程,包括碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)、炭黑(CB)和活性炭(AC)。以果糖转化率和5-羟甲基糠醛(5-HMF)收率为评价指标,对比不同催化剂在常规和微波加热条件下的催化性能,探究微波与不同载体的耦合作用对反应的强化效果。在微波场中测量不同碳材料悬浮液的温度曲线,评价碳基催化剂在微波场中的加热能力。通过表征样品结构和介电参数,解释载体与微波间耦合作用差异的原因。结果表明,碳基催化剂的微波诱导热效应可以有效提升反应转化率和收率,拥有高损耗角正切值和电导率的催化剂把微波能转化为热量的能力较强,更有助于将微波能量传递至反应表面。高比表面积、高长径比、低密度和高石墨化度的碳基催化剂也有利于产生微波热效应。另外,由于显著的微波热效应,碳纳米管基催化剂CNT-SA在4类催化剂中催化性能最优,以110℃微波辐射10min,5-HMF收率可达96.30%,且催化剂具有良好的循环使用性能。

高比表面碳基催化剂的制备及乙醇制乙烯性能

为了获得具有优良乙醇脱水制乙烯性能的催化剂,对桉木木屑进行水热处理制得高比表面生物质碳基催化剂(HPC);采用SEM、XRD、BET、NH_(3)-TPD、FT-IR和TPD等对催化剂物理化学结构进行表征;在自制的固定床反应器中进行乙醇制乙烯反应评价催化剂性能。实验结果表明:HPC催化剂具有更均匀的孔道结构和较大的比表面积,HPC-600的比表面积为1748 m^(2)/g;在氮气氛围中采用HPC-600催化剂,在温度为350℃,重时空速为3.5 h^(-1)时,乙醇转化率和乙烯选择性分别达到99.60%和100%。以水蒸气为载气进行10次循环实验后,实验结果表明初始乙醇单程转化率和乙烯选择性相差较小,但催化剂的稳定性得到一定提升。

质子交换膜燃料电池氮掺杂碳基催化剂研究进展

简要介绍了近年来氮掺杂碳基催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原方面的应用发展状况,详细总结了最近几年有关氮掺杂碳基催化剂制备及机理方面的研究结果,包括氮源前驱体种类、金属前驱体种类、金属的含量、碳源前驱体种类、热处理工艺等影响催化剂氧还原活性的主要因素,并指出了目前研究中的难点以及未来的发展方向。

基于碳基催化剂活化过二硫酸盐降解有机污染物的研究进展

碳基催化剂作为一种绿色催化材料,可以有效防止有毒金属离子的浸出和二次污染。本文首先对碳基催化剂活化过二硫酸盐(PDS)降解有机污染物存在的三种反应机制进行了具体的阐述,对自由基机制和非自由基机制的优缺点进行了对比和讨论,对使用不同碳基材料(包括活性炭、石墨烯、碳纳米管、中孔炭、纳米金刚石、生物炭)作为催化剂活化过二硫酸盐降解有机污染物的研究进展进行了梳理,比较了不同碳基催化剂对有机污染物的选择性和降解效果,并对各种碳基材料存在的问题进行了总结;然后探讨了碳基催化剂掺杂改性对催化活性的影响及其机理,针对碳基催化剂存在稳定性和重复利用性差的问题介绍了几种碳催化剂再生方法,最后对碳催化剂用于活化PDS降解实际有机废水的前景做出了展望。

Cu-BTC前驱体制备碳基催化剂的结构和脱硝性能（英文）

以Cu-BTC为前驱体,采用水热法制备碳基催化剂,并进行低温脱硝性能研究。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)和能量弥散X射线谱(EDS)等技术对碳基催化剂的结构进行表征。结果表明:碳基催化剂基本保持着Cu-BTC前驱体的八面体形貌,并主要呈现面心立方铜结构。通过碳基催化剂的脱硝性能研究发现:CuO_x/C表现出最佳的催化活性,且其活性随着Ag的掺入得到进一步的提高。当Cu/Ag摩尔比为6:1,活化温度为600°C时,碳基催化剂具有最优的催化活性,其脱硝效率达到100%时温度可降低至235°C。该催化反应过程中,主要是Cu^+起催化作用。

金属碳基催化剂催化还原法治理氮氧化物在航天发射场的应用

通过几种氮氧化物(NO_x)废气治理技术的比较,得出金属碳基催化剂催化还原法治理氮氧化物在航天发射场的应用是合适的,同时为该方法在其它领域的运用提供了一条新途径。

火试金重量法测定金碳基催化剂中金含量

采用火试金重量法测量含金碳基催化剂中金含量,通过焙烧温度、称样量、物料配比、金银质量比以及分金酸度等确定最优实验条件。在最优实验条件下通过加标实验,标准物质回收率99.0%~100.6%。方法准确度良好,可运用于实际生产分析。

稀土金属改性碳基催化剂脱除甲硫醇性能研究

采用线型热塑性酚醛树脂作为前驱体,稀土无机盐为改性剂,经过液相混合和水蒸气活化制备出稀土金属改性碳基催化剂。实验结果表明,稀土金属改性后,比表面积减少,但是甲硫醇吸附性能明显提高。主要原因是稀土金属催化氧化能力提高了脱除性能。

碳基无金属电催化剂及其在氧还原与氧析出中的应用

2009年,N掺杂纳米管成为第1个应用于氧还原反应(ORR)的C-MFECs。除了ORR之外,C-MFECs对析氧反应(OER)等电催化现象也具有积极作用,并应用于许多领域,包括金属与空气燃料电池、水循环利用、可再生燃料电池、太阳能电池、燃料生产和化学药品以及清洁水等。化学反应通过存在的原子或结构缺陷(如原子或边角的缺口)来改变电子配置和(或)调校光线,从而影响光学特征。有些C-MFECs的性能甚至比贵金属、加工金属和/或混合使用的贵金属都要好。要将C-MFEC应用于实际研究,还需要展开更多的研究。本文系统论述了过去5年C-MFECs的最新研究成果,探讨了C-MFECs应用于能量转化与存储领域的可能性。

选择性催化氧化H_(2)S的富氮碳催化剂研究进展

近年来,能高效净化H_(2)S并回收硫资源的选择性催化氧化技术(H_(2)S-SCO)受到了广泛关注.开发高性能、高选择性及低成本的催化剂是H_(2)S-SCO技术的研究重点,其中富氮碳基催化剂(RNCC)具有高活性、无金属、易制备、低成本且易再生等优点,被认为是一类极具潜力的H_(2)S-SCO催化剂.本文介绍了金属基催化剂的发展,总结和归纳RNCC的制备方法、催化活性和物化性质,系统地讨论RNCC的构-效关系及影响RNCC性能的关键因素,并总结了RNCC的H_(2)S-SCO反应机理.最后指出RNCC目前存在机遇和挑战,并展望了未来的发展方向.

碳基氧还原电催化剂:机理研究和多孔结构

由于快速增长的能源需求和日益紧迫的环境问题,清洁和可再生能源的开发受到全球范围的高度关注.质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接把燃料所具有的化学能转换为电能,具有转化效率高、环境污染小和比能量高等优点,广泛应用于汽车、飞机等交通工具以及固定电站等领域.PEMFC中阴极侧的氧还原反应(ORR),由于多重质子-电子转移和固有的缓慢动力学,是影响燃料电池整体效率的重要因素.Pt基催化剂由于能够提供较好的催化性能而被认为是较好的阴极材料.然而,广泛使用的Pt基催化剂因成本较高和资源短缺等问题严重阻碍了PEMFC的大规模应用.因此,设计开发非贵金属阴极催化剂对于降低催化剂的成本十分必要.其中,碳基催化剂因具有较好的导电性和化学稳定性,已经成为ORR领域中贵金属催化剂强有力的替代品之一.本文从碳基催化剂的活性位点和孔道结构出发,系统总结和讨论了提高催化剂活性、稳定性和抗中毒性能等方面的研究进展.首先,简单介绍了ORR反应的机理以及碳基催化剂在反应过程中存在的主要问题,即本征活性低,活性位密度低,体积密度小以及稳定性差等.然后,针对以上问题,提出了构筑高活性和高稳定性碳基催化剂的策略.在碳载体中掺杂适量的杂原子和金属原子有助于构建具有高本征活性的催化位点,将金属纳米颗粒设计成原子级和超小纳米团簇有助于增加活性位点的数目.对于目前使用最广泛的Fe-N-C催化剂,从理论上解释了其在酸性介质中活性位点极易失活的主要原因,提出制备具有优异稳定性ORR催化剂的解决方案.孔道结构作为催化剂微观结构的重要组成部分,对活性位点的分布和传质具有十分重要的影响.从合成策略和不同孔径大小对ORR性能影响的两个角度出发,具体论述了现有文献中所报道的制备微孔、介孔和大孔三种孔道结构的方法,同时详细讨论了三种孔结构在ORR中的作用.最后,基于活性位点的设计和多孔结构的构建,对设计和制备高效碳基电催化剂进行了总结,展望了碳基催化剂未来的发展和研究思路.

高效多孔碳基催化剂的研究进展及其在锌空气电池中应用

近年来,能源短缺问题日益突出,传统化石燃料使用过程中排放的二氧化碳大大加剧了全球变暖.锌空气电池作为一种新型能源,由于其低成本、高比能量密度、高安全性和环境友好等优点而受到广泛关注.然而,锌空气电池的发展速度缓慢,一个主要原因是阴极空气催化剂的催化效率低和稳定性差.本文总结了用于空气阴极的多孔碳基催化剂的最新研究进展.在对锌空气电池进行简要介绍后,从孔结构和杂原子掺杂两方面介绍了碳载体的结构和组成.根据孔径大小:微孔、介孔和大孔,详细介绍了锌空气电池中多孔碳的设计和制备.此外,还根据氮、氟、硫、磷和硼等杂原子类别,分别讨论了杂原子掺杂的合成策略以及相应电池性能.最后,本文对锌空气电池未来发展过程中的挑战和机遇进行了展望.

碳基非贵金属电解水制氢催化剂合成策略的研究进展

与传统制氢技术相比,电催化水分解被认为是一种高效、环保、可持续的制氢方法,具有广阔的应用前景。碳基非贵金属材料具有价格低廉、制备条件温和以及良好的导电性等优势,成为潜在的电解水制氢催化剂。综述了近年来碳基非贵金属催化剂在电解水制氢领域的研究进展,总结了此类催化剂的制备方法,并讨论了碳基非贵金属催化剂在电解水制氢方面存在的挑战及发展前景。

杂原子掺杂的碳基无金属电催化剂对氧还原和氧析出反应的性能研究

开发高活性、廉价和稳定的双功能氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)电催化剂取代贵金属铂(Pt)和二氧化钌(RuO_(2))催化剂用于高需求的可充电锌空气电池仍然是一个相当大的挑战。碳基材料具有良好的导电性以及物理化学性质的可调性,是作为ORR/OER电催化剂的有力候选者。在碳框架中掺杂杂原子可以诱导电荷再分配而调节碳的电子构型,从而改变材料的电化学性质,有效的提高ORR/OER活性,使其可与贵金属基催化剂相媲美。杂原子掺杂策略为碳基无金属电催化剂的发展提供了理论指导。

碳基无金属ORR电催化剂在燃料电池中的应用

燃料电池(Fuel Cells)已被认为是解决能源和环境危机最有前途的能源转换装置之一。目前,燃料电池两电极之间的反应,特别是氧还原反应(ORR),大多使用贵金属Pt基催化剂,催化剂成本占到燃料电池总成本的一半。同时,贵金属Pt基催化剂的一些缺点,也严重影响了电池的寿命。这些问题限制了燃料电池的大规模生产和应用。因此,开发廉价、高活性、高稳定性的ORR催化剂,对推动燃料电池的发展具有重要的意义。本文介绍了碳基无金属ORR电催化剂的最新研究成果,讨论了碳基无金属ORR电催化剂当前和未来的发展方向。