限域型贵金属氧还原反应电催化剂研究进展

开发高效的氧还原反应电催化剂是实现质子交换膜燃料电池规模化应用的关键技术之一。目前常用的贵金属催化剂成本较高,并且稳定性仍需改善。物理限域是改善催化剂稳定性的有效策略,在不影响贵金属催化剂催化活性的前提下,物理限域层不仅可以抑制催化剂的烧结,还能够减少催化剂在反应过程中的团聚、脱落以及溶解等问题,从而提升催化剂的寿命。本文回顾了近年来用于电催化氧还原反应的限域型贵金属催化剂,主要包括导电聚合物限域、非金属氧化物限域、金属氧化物限域以及碳层限域的贵金属催化剂。根据限域层制备策略不同,重点分析了限域层的孔结构、导电性、致密性、抗腐蚀性与催化剂性能之间的构效关系。着重介绍了实现碳层限域的三种策略,包括“沉积-转化”、“嵌入-转化”以及“一步热解”。分析表明,通过构筑具有丰富孔结构、高导电性及合适厚度的限域层能够在保证活性的同时显著提升催化剂稳定性。最后对全文进行了总结并对当前存在的问题进行了整理,同时对未来限域型催化剂的发展进行了展望。

限域型甲烷二氧化碳重整催化新材料研究现状

不断增加的二氧化碳排放量,对生态系统造成了严重威胁,二氧化碳主要来源于煤和石油燃烧。甲烷是页岩气和天然气的主要成分,是生产液体燃料和高价值化学品的重要原料,但也是一种温室气体,甲烷的温室效应约为二氧化碳的25倍。甲烷二氧化碳重整技术因将甲烷和二氧化碳同时转化为合成气CO和H_(2)而备受关注,但反应过程中会导致催化剂的烧结和聚集,设计制备抗积碳、抗烧结性能优越的催化剂是甲烷二氧化碳重整反应亟待解决的关键问题。从限域角度出发,设计性能优异的催化剂并应用于化学反应备受关注。介绍了多种限域型高性能甲烷二氧化碳重整催化剂的研究现状,分别为孔道限域催化剂、核壳限域催化剂、晶格限域催化剂、表面空间限域催化剂和多重限域催化剂,并对其应用于甲烷二氧化碳重整反应的性能进行了阐述,最后对限域策略应用于高性能重整催化剂开发的未来发展方向进行了展望。孔道限域影响反应物种和活性中心的可接近性、催化剂的活性表面积以及结构的稳定性;核壳限域使反应物与活性中心接触更好,增强了与活性中心的相互作用;晶格限域可以有效将贵金属或非贵金属锚定在排列规律的空间骨架上,提高活性中心的分散度;表面空间限域催化剂具有高比表面积,高度有序的孔结构和窄孔径分布(在纳米范围内)的中孔载体可以提供大量的催化活性位点并稳定金属纳米颗粒;多重限域可以将活性中心限域在催化剂中,降低其暴露程度,提高催化剂的抗积碳能力。限域型催化剂被广泛应用于催化剂的设计制备过程,限域为催化反应体系提供了一个(物理或化学)约束环境,这为未来理性设计高热稳定催化剂提供了思路。未来有望通过限域效应(特别是表面空间限域和多重限域策略)来调控设计催化剂应用于高温高压甲烷二氧化碳重整反应,进一步深入探究催化剂应用于二氧化碳重整反应机理(二氧化碳如何为甲烷提供活泼氧),为甲烷二氧化碳重整反应的工业应用提供新的催化剂。