二氧化碳电催化还原酸性体系研究进展

利用可再生能源提供的电能电催化还原CO_(2)制高值化学品和燃料,为全球气候变暖和能源危机提供了一种可行的解决方案,具有巨大的实际应用潜力。目前研究较多的碱性和中性反应体系中CO_(2)易与氢氧根(OH^(-))反应生成碳酸盐或碳酸氢盐,造成CO_(2)损失的同时会降低反应体系的能量转化效率和稳定性。研究开发酸性体系的电催化还原CO_(2)反应(CO_(2)RR),有望解决上述问题。本文针对CO_(2)电催化还原的酸性体系展开讨论,系统整理了反应装置、催化剂、反应微环境对CO_(2)RR性能的影响以及酸性体系中的微观反应机理,最后针对酸性体系中催化剂设计、反应机理研究、反应微环境调控、反应器设计优化等提出前瞻性建议。

三明治纳米结构的合理构筑实现Fe-N基催化剂酸性环境下高效电催化氧还原

开发具有高活性和高稳定性的非贵金属酸性环境下氧还原反应的催化剂对规模化发展高效质子交换膜燃料电池具有重要意义,但也非常具有挑战性。本文提出了一种快捷的湿化学吸附、热解和后蚀刻策略,有效地将Fe团簇镶嵌在两个氮掺杂碳(NC)层之间形成具有三明治夹心的NC/Fe/NC壳层,显著提升了Fe-N基催化剂酸性环境下的氧还原反应性能.所合成的中空夹层NC/Fe/NC催化剂可以在酸性介质中表现出优异的氧还原反应活性,具有0.92V的良好起始电位和高达5.1mA/cm^(2)的扩散极限电流密度.此外,三明治结构的NC/Fe/NC催化剂在酸性环境下具有很强的甲醇耐受性和出色电化学稳定性,是极具潜力的高效质子交换膜燃料电池氧还原催化剂.同步辐射表征结合X射线光电子能谱分析表明,NC/Fe/NC催化剂的NC/Fe/NC三明治壳层中存在大量的Fe-N化学键和强的界面电子耦合作用,其对催化剂电化学活性和耐腐蚀性的提升有很大帮助,是NC/Fe/NC催化剂酸性环境下高氧还原性能的根本来源.

二硒化钴电催化剂的制备及氧还原性能测试

具有高附加值的绿色环保型氧化剂——过氧化氢(H_(2)O_(2))的需求日益增加,急需发展绿色且安全的H_(2)O_(2)合成新方法。两电子氧还原反应(2e-ORR)是一种制备H_(2)O_(2)的高效方法,其中催化剂的高效率和高选择性是2e-ORR的关键。对二硒化钴(CoSe_(2))电催化剂的制备和性能测试实验进行了探索。首先,通过联氨还原法制备钴纳米粒子;然后,通过简单的固相反应并在不同温度下退火制备CoSe_(2)电催化剂;最后,通过一系列的表征方法对CoSe_(2)电催化剂的表面形貌、晶型、电化学及其稳定性等进行了研究。为2e^(-)ORR电催化剂CoSe_(2)的进一步研究和应用开发提供借鉴。

高熵合金在电催化氧还原反应中的应用及发展

开发用于氧气还原反应(ORR)的高效催化剂是提高燃料电池和金属-空气电池性能的关键。然而,ORR是动力学缓慢反应,存在着很高的过电势,从而降低了燃料电池和金属-空气电池的能量转换效率。高熵合金是由5种或5种以上金属元素等(近)物质的量比形成的一种新型合金材料。凭借其独特的组分与结构优势,高熵合金能够高效加速ORR、降低ORR过电势,表现出对ORR的显著催化作用。文章主要综述了高熵合金的结构、性能特点、制备方法以及在催化ORR方面的应用,并提出了挑战和发展展望。

碳载体空位工程助力原位合成的Pt纳米枝晶促进电催化氧气还原

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高能量密度、低操作温度和环保等特性,被视为极具潜力的能量转换系统.目前,碳载铂颗粒(Pt/C)是PEMFCs阴极氧还原反应(ORR)中使用最广泛的催化剂.然而,Pt与碳载体间的电子结构差异导致Pt纳米颗粒(Pt NPs)易从碳载体上脱落,严重降低了ORR的催化活性.此外,Pt的高成本和稀缺性也限制了其广泛应用.相比之下,Pt纳米枝晶(NDs)因具有高利用率的表面活性位点而备受关注.然而,Pt NDs的合成通常需要严格控制反应条件,且其与碳基底间的弱相互作用易导致活性位点损失和性能下降.因此,开发具有强金属载体相互作用的Pt复合碳催化剂对PEMFCs的实际应用至关重要.本文通过原位Cl-介导的生长策略,结合碳本征空位工程,成功制备了分散在富含碳本征空位的中空氮掺杂碳基底上的Pt NDs催化剂(Pt@HNC-V-800).拉曼光谱和电子顺磁共振光谱结果表明,碳本征空位的形成机制源于碳基底结构中氮原子的耗散,该过程引起碳原子的重新排列,进而产生了丰富的本征缺陷位点.X射线吸收光谱和X射线光电子能谱结果表明,与无碳空位的Pt@HNC催化剂相比,富含本征碳空位的样品(Pt@HNC-V-800)表现出较低的Pt-Pt键配位数(8.64)和更强的给电子效应.得益于Pt NDs丰富的活性位点及其与本征碳空位基底之间的强电子效应,Pt@HNC-V-800的ORR半波电位高达0.947 V,质量活性和比表面活性分别为1.55 A mg^(-1) Pt和1.85 mA cm^(-2),是商用Pt/C的8.2和6.8倍(0.191 A mg^(-1)Pt和0.27 mA cm^(-2)).加速耐久性测试结果表明,经20000次电势循环后,Pt@HNC-V-800的活性无明显变化,其活性损失远低于无碳本征空位的Pt@HNC材料和商业Pt/C催化剂.因此,与无碳本征空位的Pt@HNC材料相比,Pt@HNC-V-800的ORR活性和稳定性都有较大提升,进一步证实了碳本征空位工程协同Pt NDs策略的优越性.此外,密度泛函理论计算结果表明,Pt@HNC-V的丰富空位降低了氧中间体过电势,优化了ORR中间体在Pt NDs上的吸附能,进而提高了催化剂的ORR本征活性.同时,富碳本征空位的存在增强了Pt NDs在碳载体上的结合能,使Pt NDs不易在电势循环过程中脱离碳载体,从而增强了稳定性.综上所述,本文通过Pt NDs与碳本征空位工程协同效应策略,精准调控碳负载Pt基催化剂的结构,大幅提升其在酸性条件下的ORR性能,为进一步设计高性能的ORR电催化剂提供了新思路.

石墨炔空心花球的制备及高选择性电催化氧还原过氧化氢

石墨炔是一种能够在低温常压下合成的二维全碳材料,以其室温制备及性能为主线,利用铜纳米颗粒为生长基底及催化剂制备了石墨炔纳米花球,去除铜颗粒后得到石墨炔空心花球,对材料进行Raman, XRD,XPS,SEM,TEM等结构与形貌表征,证明了其成功制备。在不添加任何导电材料的情况下将石墨炔空心花球作为电催化剂,经测试得到其催化氧还原制备过氧化氢选择性达76%,验证了石墨炔空心花球高效电催化氧还原制备过氧化氢方面的优势。实验综合性较强,可作为研究前沿及课程思政元素引入至专业课程教学及创新实验。

可控设计的Co-N/C电催化剂及其氧还原反应活性

能源问题是事关国家发展和安全的重大问题,氧还原反应作为燃料电池阴极半反应近年来成为能源和电催化领域的研究热点之一。通过利用2,9-二甲基-1,10-邻菲啰啉与钴离子的配位形成配合物,将该配合物与炭黑混合均匀,经过中温热解和浓硝酸氧化后得到钴、氮表面修饰的碳负载纳米催化剂Co-N/C。实验首先利用旋转圆盘电极和旋转环盘电极(RRDE)考察了催化剂在不同pH值下的电催化氧还原性能。电化学测试结果表明,在碱性条件下,该催化剂具有与商业Pt/C相近的4电子氧还原催化性能。随后,通过SEM、TEM、XPS、XRD和FT-IR等设备对催化剂进行表征,以揭示Co-N/C催化剂4电子氧还原催化活性增强的来源。运用功能化修饰策略调控碳材料表面的催化活性位点和碳的电子结构,克服了本征碳材料催化活性不高的缺陷,为设计新型非贵金属氧还原反应催化剂提供了一种新的思路。

电催化氧还原产过氧化氢的研究进展

过氧化氢(H2O2)是一种绿色、高效的氧化剂,在诸多行业都有着广泛的应用。在众多合成方法中,电化学氧还原(ORR)产H2O2是一种新颖、低能耗、清洁的方法。其反应原理是,O2在催化剂的作用下,发生还原反应,得到两个电子,生成H2O2。由于ORR存在四电子生成H2O和二电子生成H2O2的竞争反应,因此,如何对电催化剂进行设计与调控,使其展现高活性、高选择性和高稳定性已成为亟待突破的研究难点。本文从不同的催化剂类型出发,详述了目前电催化ORR产H2O2的研究进展。最后,概述了当前电催化ORR面临的挑战,并展望了未来的发展方向。

氧化铈/镍-碳纳米管复合氧还原电催化剂的制备与性能研究

燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的电子转移过程比较复杂,反应动力学缓滞,需要高效的电催化剂来加快反应速率。传统的贵金属铂基催化剂价格昂贵,因此亟需开发高性能、低成本的非贵金属催化剂作为替代材料。首先通过溶胶凝胶和热处理,得到了尺寸约为10 nm的氧化铈/镍复合纳米颗粒,然后通过催化甲烷热分解,得到了碳纳米管支撑的氧化铈/镍纳米材料。由于碳纳米管的形成,使催化剂与电解液的接触面积增加,并且改变了金属镍的电子结构,从而使其在碱性溶液中表现出较好的电催化氧还原活性,其循环伏安的氧还原峰电位约在-0.17 V和-0.51 V左右,氧还原极化曲线的开启电位约在-0.05 V vs. SCE。

原位自模板合成Fe/Fe_(4)C@HC复合空心球及电催化氧还原研究

化石燃料的过度依赖使人类面临着严重的能源和环境挑战,发展可再生绿色高效能源方式已成为当今社会一重大挑战。本文主要围绕Fe/Fe_(4)C@HC复合空心球催化剂的合成、表征及其电催化氧还原应用方面展开研究。采用原位自模板法合成Fe/Fe_(4)C@HC,通过XRD、SEM、TEM、EDS、XPS、BET等检测表征Fe/Fe_(4)C@HC的组成结构和微观形貌,对Fe/Fe_(4)C@HC的构效关系进行探索。电化学测试表明Fe/Fe_(4)C@HC材料具有优越的氧还原电催化性能,在氧还原催化领域具有一定的应用潜力。

应用于氧还原反应催化剂的研究进展

燃料电池作为一种具有高能量转换效率和绿色无污染的能量转换设备,有望改善当前的高化石能源消耗的现状,推进社会绿色发展。燃料电池阴极氧还原催化剂高昂的成本及较差的电化学性能限制了其商业化进程,研究人员正在积极的开发具有高催化活性及稳定性的新型燃料电池氧还原催化剂,本文就近几年燃料电池阴极氧还原催化剂的研究进展进行了综述,并对其之后的发展方向进行了展望。

质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-N_(x)/C型氧还原催化剂研究进展

氧还原反应(ORR)是燃料电池能量转换的关键步骤,开发高性能低成本的催化剂以替代铂族贵金属是推动燃料电池商业化的重要途径。本文综述了质子交换膜燃料电池非贵金属M-N_(x)/C型催化剂的最新研究进展,概括了氧还原反应的基础理论,系统展示了先进表征技术对活性位点鉴定和反应机理研究的作用,总结了M-N_(x)/C型催化剂近年来的代表工作和活性突破,阐述了稳定性问题的根源及对应的方案策略,我们认为M-N_(x)/C型催化剂未来的发展方向是理性设计具高位点密度和高稳定性的催化剂。

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.

空心氮掺杂碳球锚定单原子铁位点用于高效电催化氧还原反应

本研究将单原子分散的Fe-N_(4)位点锚定在氮掺杂空心多孔碳球上用于电催化氧还原反应,研究表明,所制备的FeSAs/HNCSs-800催化剂表现出优异的电催化氧还原性能,其起始电位为0.925 V,半波电位为0.867 V。球差电镜和同步辐射X射线吸收光谱证实了催化剂中存在高度分散的Fe-N_(4)单原子位点。通过密度泛函理论计算证明单原子Fe-N_(4)位点是氧还原反应有效的活性位点,其相邻的C缺陷可以有效调控单原子Fe的电子结构,进而提高电催化氧还原性能。

Pd基氧还原反应纳米合金电催化剂研究进展

在电催化过程中,反应物、中间态和最终产物分子与电催化剂表面的相互作用至关重要,因此对电催化剂表面的活性位点进行调控与修饰是电催化研究中极其重要的一部分,直接决定了电催化过程的效率和成本.首先,简单介绍了电催化的相关基础知识,以燃料电池阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)为例,介绍了反应过程机理和高效电催化剂的设计原则.然后,综述了电催化剂活性位点调控的最新进展及面临的挑战,主要包括Pd基纳米合金催化剂的结构和组成;介绍了如何利用各种物理效应(例如晶格应变和电子耦合效应)提升催化活性和稳定性.最后,围绕Pd基纳米合金催化剂性能的进一步提升以及贵金属电催化剂成本控制这两个问题,对其未来的合成策略和发展进行了展望.

钴/氮掺杂碳复合材料制备及电催化氧还原教学实验设计

以硝酸钴与2-甲基咪唑为原料合成类沸石结构的骨架化合物ZIF-67作为前驱体,制备钴纳米颗粒负载的氮掺杂碳催化剂(Co@N-C)。通过X-射线粉末衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等确认材料的组成和结构,在碱性电解液中研究材料的电催化氧还原特性。实验涉及无机化学、分析化学等基本理论知识及基本实验操作,能够帮助学生对基础知识进一步掌握,并培养学生学以致用的能力。

基于多孔碳制备铌氧化物/碳负载铂氧还原电催化剂的实验设计

利用多孔碳(C)的限域作用制备了铌(Nb)氧化物-碳复合载体负载铂(Pt)作为氧还原反应电催化剂.该实验在多孔碳中形成铌氧化物和单质铜(Cu)的混合物(NbO_(x)C@Cu),并以此作为载体,通过金属铜置换铂离子最终形成多孔碳/铌氧化物负载铂催化剂(NbO_(x)C@Pt),并进一步探究了该催化剂对氧还原反应的催化性能.结果表明:所制备的NbO_(x)C@Pt催化剂表现出优异的氧还原性能,其半波电位为878 mV,比活性为0.49 m·A·cm^(-2),明显高于商业Pt/C催化剂.此外,该实验还发现在氢氩混合气中预处理样品可以明显提高催化剂的稳定性.该实验将新型结构的多孔碳/铌氧化物作为载体应用到电化学实验教学中,能开拓学生对电催化基础材料科学的认知.

纤维基氧化还原电催化剂的研究进展

化石燃料的过度使用带来了严峻的环境污染问题,积极探索开发绿色可持续的能源转换和存储技术是目前研究的重要方向.以氢燃料和空气为动力的质子交换膜燃料电池和金属空气电池在众多能源技术中脱颖而出.但其工作过程中涉及的氧还原反应(ORR)严重制约了清洁能源技术的广泛使用.纤维结构催化材料具有其比表面积高、几何结构可调及制备简单便捷等优势,在氧还原领域备受关注.本文综合评述了纤维结构催化材料金属活性中心的可控调节,介绍了纤维结构电催化材料在氧还原反应电催化方面的最新进展,揭示了纤维结构氧还原催化剂在电催化ORR反应中的构效关系,讨论了纤维结构电催化材料在ORR电催化中面临的挑战和机遇.

酸性条件下二氧化碳高效电还原策略

二氧化碳电还原技术可以将可再生电能与温室气体二氧化碳转化为高价值燃料和化学品.选择性、能量转化效率、碳利用效率和可持续性是评价二氧化碳电还原技术是否具有工业应用前景的主要指标.在碱性或中性电解液中进行二氧化碳电还原,由于部分二氧化碳在阴极转化为碳酸盐,导致碳利用效率降低.碱性电解液和中性电解液还分别存在电解液再生过程耗能巨大和溶液电阻较高等问题.这些因素导致使用碱性和中性电解液的二氧化碳电还原技术能量转化效率低下.最近,酸性条件下二氧化碳电还原技术有望提高碳利用效率和能量利用效率,成为研究热点.然而,在酸性条件下提升二氧化碳还原选择性具有挑战.前期研究已发展了多种策略以抑制酸性条件下的氢离子还原反应并促进二氧化碳还原反应,但研究者对于酸性条件下的阳离子效应以及局域pH效应等基础科学问题认识尚不一致.此外,气体扩散电极内的碳酸氢盐盐析问题仍限制着酸性条件下二氧化碳还原电解系统的可持续性.因此,亟需对促进酸性条件下二氧化碳电还原的不同策略及可能机制进行总结,并探讨进一步提升电解系统可持续性的潜在路径.本文首先概述了酸性条件下二氧化碳电还原技术的提出及发展历程,对比了碱性、中性和酸性电解液中进行二氧化碳电还原的优势和劣势.着重从传质过程和电极反应两方面对已报道的酸性条件下二氧化碳电还原技术进行归纳总结.探讨了传质过程中二氧化碳还原半反应引起的局域高pH对氢离子还原反应的抑制作用,碱金属离子对于氢离子电迁移过程的抑制作用,以及抑制氢离子扩散过程的基本策略.对于电极反应,探讨了催化位点本征活性的调控、碱金属离子调控界面电场对于二氧化碳还原动力学的影响,以及碱金属离子与反应中间体的直接配位作用.然后,概述了近期无金属离子酸性电解液中二氧化碳电还原技术的进展,该技术旨在提升二氧化碳电还原性能的可持续性.介绍了酸性条件二氧化碳电还原过程的理论模拟方法,提出了将原子尺度的密度泛函理论模拟与电极微反应动力学模拟及介观、宏观尺度传质过程的有限元分析相结合的研究思路.最后,总结了促进酸性条件二氧化碳电还原的不同策略,展望了电极微环境检测、模拟和调控的可能途径,以及进一步提升酸性条件二氧化碳电还原稳定性及降低成本的策略.

两电子氧还原电催化合成过氧化氢的研究进展

过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种环境友好的通用氧化剂,被广泛应用于化学合成、废水处理以及纸浆和纺织品漂白等领域。当前工业大量合成H_(2)O_(2)主要采用蒽醌法,该方法能耗高,工艺步骤多,三废排放大且产物储运过程中存在安全隐患。利用电催化剂将氧气在阴极侧进行两电子氧还原反应(2e^(-)ORR)可实现按需现场合成H_(2)O_(2),是近年来广受关注的一种方法。电催化剂的活性、选择性和稳定性直接决定了2e^(-)ORR的反应效率。本文简要介绍了2e^(-)ORR机理及催化剂性能评价方法,主要综述了用于2e^(-)ORR合成H_(2)O_(2)的贵金属基和碳基催化剂在结构优化、组成掺杂、活性位点调控和表/界面设计等方面的重要研究进展,在此基础上就电催化合成H_(2)O_(2)存在的挑战和未来需要解决的关键问题进行了展望。