三元合金氧还原电催化剂

质子交换膜燃料电池作为重要的电化学能源转换装置,在提高能量转换效率、减少环境污染等方面具有诱人的前景.然而,阴极氧还原过电位较大、活性较低、稳定性差,且铂基催化剂昂贵,使该燃料电池难以商业化.纳米结构电催化剂的发展有望解决此难题。对纳米合金电催化剂其组分和结构的设计是开发高活性、高稳定性和低成本的燃料电池电催化剂的重要因素.本文综述了近期由分子设计和热化学控制处理法制备的三元纳米合金电催化剂对燃料电池氧还原反应催化性能的最新进展.该方法可控制纳米合金的尺寸、组成以及二元和三元纳米催化剂的合金化程度.以高活性的三元纳米合金催化剂PtNiCo/C为例,综述了在设计燃料电池电催化剂时结构和组成的纳米级调优的重要性.PtNiCo/C电催化剂的质量比活性远高于其二元合金催化剂和Pt/C商业电催化剂.三元电催化剂的催化活性可通过控制其组成来调节.文章还讨论了三元纳米合金催化剂的结构及其协同效应对增强其电催化性能的影响.     

提升燃料电池铂基催化剂稳定性的原理、策略与方法

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高转化效率、高功率密度以及低污染等优点,目前受到广泛关注。燃料电池的性能主要受限于阴极的氧还原反应,其成本也受限于阴极催化剂。目前人们已经设计了许多策略、开发了许多催化剂,特别是铂基合金催化剂,来加快氧还原反应的速率,提高燃料电池性能。然而,由于过渡金属的溶解以及纳米粒子的团聚等问题,氧还原催化剂以及燃料电池的长效稳定性仍然存在问题。如何设计高效、高稳定的燃料电池阴极催化剂,对于进一步推动燃料电池的应用十分关键。针对燃料电池阴极催化剂稳定性的问题,本文综述了近年来提升燃料电池铂基催化剂稳定性的原理、策略与方法,首先我们从热力学和动力学上阐述影响催化剂稳定性的原因及其调控原理。随后,我们将概述一些具有代表性的提升催化剂稳定性的策略和方法。最后,我们对未来发展方向进行了总结与展望。     

基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的抗团聚高效氧还原电催化剂

氧还原反应是决定燃料电池、金属-空气电池等多种新型清洁能源存储与转化技术之性能与应用的关键反应. 铂及其合金是目前催化活性最好的氧还原反应催化剂,但其高昂的成本限制了规模化应用. 在小尺寸效应作用下,微纳米结构催化剂颗粒在电极制备与电化学反应过程中的团聚限制了催化剂本征催化活性的充分发挥. 本文基于喷雾热解技术,发展了一种基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的高活性、抗团聚非贵金属氧还原反应催化剂. 此结构中,金属有机骨架化合物ZIF-67衍生的钴/氮掺杂多孔碳纳米结构是催化氧还原反应的活性中心,包覆其外的三维石墨烯笼不仅可在钴/氮掺杂碳纳米结构之间构建连续的三维载流子传导网络,且可高效抑制其在催化剂制备与电化学反应过程中的团聚与活性损失. 在碱性电解液中,此类非贵金属催化剂表现出可与铂基催化剂媲美的氧还原反应活性和优异的稳定性.     

瓜环基金属纳米催化剂的电化学研究进展（英文）

金属纳米材料在电催化应用中展示出良好的性能,但是它们依旧面临着稳定性差和调控策略有限的问题。引入第二组分是一种有效的策略,能够很好的改善其催化活性与稳定性。在这篇综述中,我们概述了结合金属纳米材料和瓜环（CB[n]）用于电催化应用。瓜环是一系列的具有刚性结构、高稳定性、与金属配位的官能团的大环,它们适合稳定金属纳米材料并对其进行调控。本文讨论按照瓜环的功能分类,包含瓜环作为保护剂、瓜环基的超分子自组装体以及瓜环作为前驱体制备氮掺杂多孔碳。多种金属纳米催化剂,包括金属纳米颗粒（Pt,Ir,Pd,Ru,Au）、金属单原子（Fe,Co,Ni）以及过渡金属碳化物（TMCs）成功与瓜环或瓜环衍生的碳材料复合,这些复合材料在许多电催化反应中展示出优异的性能和稳定性,反应包括了氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO2RR）、甲烷氧化反应（MOR）、乙醇氧化反应（EOR）。其中,一些金属-瓜环复合物可进一步作为双功能催化剂用于全水解和燃料电池中。瓜环基的纳米催化剂具有媲美商用催化剂的性能,甚至其稳定性可优于商用催化剂。实验分析以及密度泛函理论（DFT）计算...     

碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展

以替代铂为目标的高性能廉价氧还原电催化剂的研究为当今科学前沿. 近年来人们发现, 掺杂的碳基纳米结构具有催化活性高、稳定性好、资源丰富、抗CO和抗甲醇能力强等优点, 是一种新型无金属氧还原电催化剂, 具有替代铂基催化剂的潜力. 本文结合作者课题组的最新研究成果, 简要综述了碳基无金属氧还原电催化剂研究的主要进展, 重点关注了富电子氮和缺电子硼单/共掺杂的碳纳米结构的氧还原催化性能及其与电子结构的关系, 展望了碳基无金属氧还原催化剂的发展策略与前景.     

掺氮纳米碳及与非Pt金属复合的电催化剂研究*

低成本、高活性和稳定性的氧还原电催化剂一直是燃料电池的研究热点。近年掺氮对纳米碳及其复合电催化剂性能的显著影响引起广泛关注,为燃料电池催化剂的研究开辟了新的领域,且已有突破性成果。本文综述了纳米碳掺氮的方法、非Pt的掺氮纳米碳及其复合电催化剂的最新研究进展,介绍了影响其氧还原电催化活性的因素和掺氮的作用机理,最后对发展趋势、应用前景做出了展望。     

铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能

质子交换膜燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,它具有转化效率高、能量密度高、低温启动、易于操作等优点,因而被认为是最具发展前景的新能源利用方式,在电动汽车、便携电源及分散式电站有着广泛应用.但是,目前质子交换膜燃料电池技术的发展面临着巨大挑战,主要问题包括高成本、低功率密度和低寿命.众所周知,质子交换膜燃料电池中的阴极氧还原反应在酸性条件下是一个复杂的四电子过程,动力学速度缓慢,限制了电池的最终性能.目前大量使用的阴极氧还原催化剂是细小的铂或铂合金纳米颗粒负载在碳载体上,其成本占燃料电池总成本的比例最大.制约燃料电池商业化发展的另一个重要问题是电池寿命低,其中氧还原催化剂的稳定性是决定电池寿命的主要因素.在这样的研究背景下,如何降低催化剂中铂的用量、提高催化剂活性和稳定性显得尤为重要,这也是近年来国内外学者研究的热点.在铂基合金催化剂中,通常采用过渡金属元素作为掺杂元素,由于原子半径不匹配(几何效应)以及电子结构不同(电子效应),合金催化剂表现出优于纯铂催化剂的催化性能.近几年,对于铂基合金催化剂的研究已取得重大进展,以合金组成和结构研究为基础,通过精确控制原子结构、调控表面电子状态以及制备工艺,获得了各种特殊形貌的催化剂,大大提高了催化活性.本文深入综述了近年来铂基合金氧还原催化剂制备、形貌和性能,特别关注了催化剂形貌和催化活性之间的关系.值得注意的是,具有有序原子排列的铂合金催化剂不仅在半电池中表现出优异活性,在实际质子交换膜燃料电池中也显示了很好的活性和稳定性.另一方面,碳载体的形貌及微观结构也对提高催化活性和稳定性起到决定性作用,通过化学手段加强金属纳米颗粒与碳载体之间的相互作用也是提高催化剂稳定性的重要途径.尽管铂基氧还原催化剂在近几年取得了重要进展,但在实际商业化过程中还存在诸多挑战,本文在综述进展的基础上,对铂基催化剂的发展提出了展望.首先,对于氧还原反应机理仍需要深入研究,采用更加精确的理论模型模拟氧还原动力学过程,以获得影响催化活性的关键因素.其次,提高催化剂在膜电极中的催化活性和利用率.目前,氧还原催化剂在半电池测试中性能优异,但是实际燃料电池操作条件下其性能远不能达到要求,这与膜电极、催化剂层及扩散层结构相关.因此,基于不同铂基催化剂的特性,合理设计膜电极组件的结构是将催化剂进行实际应用的基础.最后,催化剂的稳定性仍需进一步提高,尽管目前大部分催化剂在实验室半电池研究中表现了很好的稳定性,但在实际燃料电池中的稳定性研究还不足,而且对催化剂在膜电极中性能衰退机理的研究也非常有限.因此,对于铂基氧还原催化剂的研发仍需要国内外科研工作者不懈的努力.     

铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能（英文）

质子交换膜燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,它具有转化效率高、能量密度高、低温启动、易于操作等优点,因而被认为是最具发展前景的新能源利用方式,在电动汽车、便携电源及分散式电站有着广泛应用.但是,目前质子交换膜燃料电池技术的发展面临着巨大挑战,主要问题包括高成本、低功率密度和低寿命.众所周知,质子交换膜燃料电池中的阴极氧还原反应在酸性条件下是一个复杂的四电子过程,动力学速度缓慢,限制了电池的最终性能.目前大量使用的阴极氧还原催化剂是细小的铂或铂合金纳米颗粒负载在碳载体上,其成本占燃料电池总成本的比例最大.制约燃料电池商业化发展的另一个重要问题是电池寿命低,其中氧还原催化剂的稳定性是决定电池寿命的主要因素.在这样的研究背景下,如何降低催化剂中铂的用量、提高催化剂活性和稳定性显得尤为重要,这也是近年来国内外学者研究的热点.在铂基合金催化剂中,通常采用过渡金属元素作为掺杂元素,由于原子半径不匹配(几何效应)以及电子结构不同(电子效应),合金催化剂表现出优于纯铂催化剂的催化性能.近几年,对于铂基合金催化剂的研究已取得重大进展,以合金组成和结构研究为基础,通过精确控制原子结构、调控表面电子状态以及制备工艺,获得了各种特殊形貌的催化剂,大大提高了催化活性.本文深入综述了近年来铂基合金氧还原催化剂制备、形貌和性能,特别关注了催化剂形貌和催化活性之间的关系.值得注意的是,具有有序原子排列的铂合金催化剂不仅在半电池中表现出优异活性,在实际质子交换膜燃料电池中也显示了很好的活性和稳定性.另一方面,碳载体的形貌及微观结构也对提高催化活性和稳定性起到决定性作用,通过化学手段加强金属纳米颗粒与碳载体之间的相互作用也是提高催化剂稳定性的重要途径.尽管铂基氧还原催化剂在近几年取得了重要进展,但在实际商业化过程中还存在诸多挑战,本文在综述进展的基础上,对铂基催化剂的发展提出了展望.首先,对于氧还原反应机理仍需要深入研究,采用更加精确的理论模型模拟氧还原动力学过程,以获得影响催化活性的关键因素.其次,提高催化剂在膜电极中的催化活性和利用率.目前,氧还原催化剂在半电池测试中性能优异,但是实际燃料电池操作条件下其性能远不能达到要求,这与膜电极、催化剂层及扩散层结构相关.因此,基于不同铂基催化剂的特性,合理设计膜电极组件的结构是将催化剂进行实际应用的基础.最后,催化剂的稳定性仍需进一步提高,尽管目前大部分催化剂在实验室半电池研究中表现了很好的稳定性,但在实际燃料电池中的稳定性研究还不足,而且对催化剂在膜电极中性能衰退机理的研究也非常有限.因此,对于铂基氧还原催化剂的研发仍需要国内外科研工作者不懈的努力.     

具有优异甲醇耐受性的Rh掺杂Pd Cu有序金属间化合物纳米粒子增强氧还原电催化（英文）

由于阴极催化剂有限的活性和耐久性以及甲醇渗透到阴极所导致的催化剂中毒问题,直接甲醇燃料电池(DMFCs)仍面临严峻的挑战。本文报道了一类新型的具有有序金属间结构的Rh掺杂PdCu纳米颗粒用于提高阴极氧还原反应(ORR)的活性、耐久性和甲醇耐受性。通过结合Rh原子掺杂以及有序金属间结构两者的优点,在碱性条件下,Rh掺杂Pd Cu金属间化合物催化剂在0.9 V电位下对氧还原质量活性相比商业Pt/C提高7.4倍。这种独特的结构还使其表现出出色的ORR耐久性,在连续20000个循环后的半波电位和质量活性几乎不变。此外,在苛刻的中毒环境下,仍可以保持Rh掺杂PdCu金属间化合物电催化剂高的氧还原催化活性。     

有序金属间化合物电催化剂在燃料电池中的应用进展

在燃料电池阴极氧还原反应以及阳极小分子氧化反应中,结构有序的金属间化合物由于具有可控的组成和结构表现出良好的电催化活性和催化稳定性,受到科研工作者的广泛关注。本文基于课题组多年来在有序金属间化合物电催化剂方面的研究情况,综述了贵金属基有序金属间化合物电催化剂的研究现状。重点介绍了结构有序金属间化合物的结构特点、表征方法、可控制备以及其在燃料电池电催化剂中的应用。此外,对这类材料当前存在的问题以及未来发展方向进行了讨论及展望,以期为燃料电池电催化剂的发展开拓新的思路。     

Oxygen electroreduction reaction at bidimensional materials

The electrocatalysis of oxygen reduction reaction (ORR) is of paramount importance in energy-converting systems such as fuel cells and metal–air batteries. Unfortunately, the ORR kinetics is sluggish even at prohibitive platinum group metal catalysts. Two-dimensional materials have attracted increasing interest for energy production and storage in the last years, due to their exceptional chemical, physical, optical, and electronic properties. In this review, we briefly report the recent progress of two-dimensional catalysts for the ORR. Particularly, we approach to heteroatom-doped graphenic materials, dichalcogenides, and MXenes offering results that demonstrate outstanding properties of these materials for the construction of competitive ORR electrocatalysts without platinum group metals.     

铂基金属间化合物纳米晶的最新进展:可控合成与电催化应用

铂基金属间化合物纳米晶因其高度有序的结构特点,优异的抗氧化及耐腐蚀性能,作为电极材料被广泛应用于各类电催化反应,目前已有的PtCo金属间化合物纳米晶在燃料电池阴极反应(氧还原反应)中的活性和稳定性均达到了美国能源部(DOE) 2020年的目标。为了进一步提高金属间化合物纳米晶的电催化性能,需要对影响纳米晶电催化性能的因素进行深入研究。本文综述了铂基金属间化合物纳米晶的研究现状,着重介绍了铂基金属间化合物的可控合成策略及其在电催化领域的最新研究进展,分析总结了该领域存在的问题,并展望了其未来发展方向。     

Tuning Nanoparticle Catalysis for the Oxygen Reduction Reaction

Advances in chemical syntheses have led to the formation of various kinds of nanoparticles (NPs) with more rational control of size, shape, composition, structure and catalysis. This review highlights recent efforts in the development of Pt and non‐Pt based NPs into advanced nanocatalysts for efficient oxygen reduction reaction (ORR) under fuel‐cell reaction conditions. It first outlines the shape controlled synthesis of Pt NPs and their shape‐dependent ORR. Then it summarizes the studies of alloy and core–shell NPs with controlled electronic (alloying) and strain (geometric) effects for tuning ORR catalysis. It further provides a brief overview of ORR catalytic enhancement with Pt‐based NPs supported on graphene and coated with an ionic liquid. The review finally introduces some non‐Pt NPs as a new generation of catalysts for ORR. The reported new syntheses with NP parameter‐tuning capability should pave the way for future development of highly efficient catalysts for applications in fuel cells, metal‐air batteries, and even in other important chemical reactions.     

Recent advances of layered double hydroxides–based bifunctional electrocatalysts for ORR and OER

The oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) have attracted increasing attention for the sake of clean, renewable, and efficient energy technologies in recent years. The design of ORR/OER bifunctional electrocatalysts is a challenging task in the promotion of highly efficient rechargeable metal-air batteries as well as regenerative fuel cells. Owing to the wide adaptability of different types and ratios of metals in the interlayer space as well as the adjustable interlayer distance, composite materials with layered double hydroxides (LDHs) and their derivatives have recently been registered as electrode materials and catalysts supports for various electrochemical reactions. This study examines the recent development of bifunctional electrocatalysts based on LDHs for ORR/OER to expand the application of LDHs in the field of energy storage and conversion. Various bifunctional electrocatalysts associated with LDHs are discussed in detail to improve their performance. Finally, existing problems and future prospects for improving the performance of LDHs bifunctional electrocatalysts are proposed.     

Single-atom Catalysts for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

Searching for high-activity, stability and highly cost-effective electrocatalysts for acid oxygen reaction reduction(ORR) has always been an urgent problem in polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFCs). Nonetheless, the electrochemical properties of various systems have their intrinsic limits and tremendous efforts have been paid out to search for highly efficient electrocatalysts by more rational control over the size, morphology, composition, and structure. In particular, single-atom catalysts(SACs) have attracted extensive interest due to theirs excellent activity, stability, selectivity and the highest metal utilization. In recent years, the number of papers in the field of SACs has increased rapidly, indicating that SACs have made great progress. This review focuses on SACs electrochemical applications in the acid ORR and introduces innovative syntheses, fuel cell performance and long-time durability.     

氧还原反应前沿与进展

主要介绍氧还原反应的研究意义、反应机理以及研究现状。氧还原反应作为燃料电池的阴极反应,其能否高效进行将直接影响燃料电池的转化效率。目前,氧还原反应的反应机制仍存在较大争议,包括活性位点及反应步骤等。商业碳载铂虽然活性很高,然而其在实际应用中却会受到多方面限制。本文着重介绍了近些年报道的非金属及非贵金属催化剂。非金属及非贵金属催化剂在自然界中资源丰富、价格低廉、制备简单、导电性及稳定性良好,且不会被小分子毒化。所以,对非金属及非贵金属材料的氧还原研究可为新型能源装置的应用提供参考。     

燃料电池氧还原反应核壳结构电极材料的理性设计

纳米技术的迅速发展促进了核壳纳米粒子作为一种新型功能材料的产生。通过理性设计核与壳的组成,可以构建一系列具有功能可调性的核壳纳米材料。该类材料可以作为燃料电池中氧还原反应(ORR)的阴极电极,并表现了卓越的电催化性能。本文以不同化学属性为核壳分类,依托ORR机理,综述了近几年核壳结构电极材料在ORR中的应用,提出了存在的挑战,以期为解决能源转换与储存问题提供思路。     

Recent Progress in ZIF-Derived Carbons for Enhanced Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysis

The oxygen reduction reaction (ORR) represents a cornerstone for many clean energy conversion technologies such as fuel cells and metal-air batteries. Nevertheless, the commercialization of these technologies is largely impeded by the slow kinetics of ORR, for which active, durable and cost-effective ORR catalysts are needed. In recent years, zeolitic imidazolate framework (ZIF) derived carbon materials emerge as a new class of non-precious metal catalysts (NPMCs) toward ORR, largely benefiting from their high surface area, abundant porosity, tunable chemical/electronic structure, and superior ORR activity which is comparable or even surpasses those state-of-the-art Pt-based ORR catalysts. This review offers a comprehensive overview of the recent advances in ZIF-derived carbons for ORR. The synthesis strategies and the key factors affecting the ORR performance of ZIF-derived carbon materials are discussed. Future research directions and perspectives on exploring ZIF derived carbons as efficient ORR catalysts are highlighted, with a focus on the principles of rationally engineering the coordination structures of active sites.     

泡沫铜基底原位生长的铜基导电金属有机框架作为双功能电催化剂

以泡沫铜为基底生长氢氧化铜纳米线,通过原位转化合成二维导电金属有机框架(MOF)材料Cu_3HITP_2(HITP=2,3,6,7,10,11-六氨基三亚苯)作为双功能催化剂,可直接用作析氧及氧还原反应的工作电极,而无需使用额外的基底或粘合剂,且无需后续热处理。研究发现以氢氧化铜纳米线为模板的Cu_3HITP_2表现出了更大的电化学比表面积,这种新型的电极可在碱性溶液(0.1和1.0 mol·L~(-1) KOH)中可以稳定运行,析氧反应中在电流密度达到10 mA·cm~(-2)时的过电位仅为1.53 V,超越了商业二氧化钌的催化性能。此外,该催化剂在氧还原反应中的半波电位达到0.75 V,优于大多数MOF材料。     

碳纳米管基非贵金属催化剂在电催化氧化还原中的应用研究进展

燃料电池和金属-空气电池是将化学能直接转化成电能的绿色电池,具有能量密度高、安全和环保等优点,相比传统能源具有独特优势。然而,目前阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)使用的贵金属铂(Pt)储量低,成本高,易中毒失活,严重限制了燃料电池的大规模应用。因此,开发廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂成为研究热点。碳纳米管具有本征sp~2杂化结构、优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性等突出优点,受到广泛关注。本文综述了碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的最新进展,主要包括非金属掺杂、过渡金属-氮-碳纳米管、负载过渡金属及其衍生物(氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等)、负载单原子、与其他碳材料(石墨烯、多孔碳、碳纳米纤维)复合以及碳纳米管基自支撑电极。最后,对碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的研究前景和下一步研究方向进行了展望。