低温燃料电池氧电极催化剂*

氧电极催化剂及缓慢的阴极氧还原动力学是制约低温燃料电池商业化的关键瓶颈因素之一。为此,国内外研究者近年来从提高低温燃料电池氧电极催化剂的催化活性和稳定性、降低催化剂的成本、发展非贵金属氧还原催化剂等方面开展了大量的研究工作,有力地促进了低温燃料电池的发展进程。本文在简要介绍低温燃料电池氧电极反应机理的基础上,从催化剂载体、贵金属及其合金催化剂、金属大环化合物及M-N/C类催化剂和过渡金属硫族化合物类催化剂等方面详细综述了低温燃料电池氧电极催化剂近年来的主要研究进展,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向。     

燃料电池纳米催化剂的稳定化

低温燃料电池是理想的移动式电源,它所采用的电催化剂主要为Pt基贵金属纳米催化剂。提高纳米催化剂在电池内部环境中的稳定性、抑制其活性衰减,对于延长低温燃料电池的使用寿命和节约成本具有十分重要的意义。本文从三个方面综述了近年来在低温燃料电池纳米催化剂稳定化方面的研究进展。首先,通过载体效应实现催化剂的稳定化,包括碳载体的石墨化、碳载体的掺杂、表面功能化及其他载体的采用等。其次,通过空间效应实现催化剂的稳定化,包括催化剂粒子表面覆盖、催化剂粒子微孔嵌入、催化剂表面杂多酸单层自组装及聚合物电解质空间阻隔等。再其次,通过协同效应实现催化剂的稳定化,包括提升金属粒子的氧化电位、强化组分间的相互作用等。最后,对低温燃料电池纳米催化剂稳定化的发展前景进行了展望。     

高温聚合物电解质膜燃料电池催化剂的研究进展（英文）

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFCs)是一类将化学能转换为电能的能量转换装置,与传统的低温聚合物膜燃料电池相比具有诸多优势.目前HT-PEMFCs主要是以铂作为催化剂.铂基催化剂对于燃料电池氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)有好的催化活性,但在HT-PEMFCs中通常需要高载量的铂基催化剂,以缓解磷酸在铂表面强吸附对活性表达的限制,其存在成本高、活性不足、长时间运行下活性降低及载体腐蚀等问题.本文总结了最近关于HT-PEMFCs催化剂的研究进展,系统分析了贵金属、非贵金属催化剂在HTPEMFCs中的应用前景,并对现阶段HT-PEMFCs催化剂的发展应用进行了展望.     

杂原子掺碳材料氧还原催化剂研究进展

开发替代Pt类高活性、低成本的非贵金属燃料电池阴极氧还原催化剂是实现燃料电池商业化的必由之路. 研发催化活性高,稳定性好,价格便宜的非贵金属催化剂是当务之急. 碳纳米材料,尤其杂原子掺杂的碳纳米材料有其独特的结构和催化性能而备受瞩目. 本文结合作者课题组的研究工作,综述了近年杂原子掺杂碳纳米材料催化剂燃料电池阴极氧电催化还原方面的研究进展.     

燃料电池非贵金属催化剂的研究进展

目前,燃料电池中普遍使用的是贵金属铂基催化剂,但其价格昂贵,资源日渐匮乏,严重阻碍了燃料电池的商业化应用,所以寻找低成本、高催化活性和高稳定性的非贵金属催化剂一直是人们关注的研究热点之一。本文阐述了燃料电池非贵金属催化剂在金属氧化物、金属络合物、非金属掺杂的碳基催化剂等三个方面的研究进展,并对其未来的发展趋势提出展望。     

导电聚合物/贵金属复合材料应用于C1小分子电催化氧化

低温燃料电池作为一种新型的能源装置,具有能量转换效率高、工作温度低、无污染、液体燃料处理简单、启动迅速等诸多优点,已成为世界各国竞相研究的热点。有机小分子的高效电催化氧化直接关系到低温燃料电池的发展和应用。低温燃料电池的电极材料主要是碳/贵金属复合材料,碳载体易导致贵金属粒子团聚、且易发生电氧化腐蚀等缺点降低了贵金属的利用率和电池的使用寿命。导电聚合物具有高的抗腐蚀性、高的表面积、低电阻和高稳定性得到很大关注。本文综述了近年来国内外导电聚合物/金属复合电极材料在燃料电池中的研究进展。     

氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展

质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换装置,具有环境友好、能量密度高、转化效率高等优点,能够应用于便携能源及燃料电池电动车领域.但燃料电池阴极氧还原需要大量的铂基催化剂,铂价格昂贵、储量有限、易中毒的缺点限制了它的实际应用.因此,开发低成本、高活性、高稳定性的阴极非贵金属催化剂将能够显著推动质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用.其中碳基非贵金属催化剂作为最有可能替代铂的氧还原催化剂,引起了广泛的研究.基于此,本文首先简单介绍了氧还原的机理;其次将碳基非贵金属催化剂分为过渡金属氮碳催化剂和非金属掺杂碳催化剂,对它们在材料制备和活性中心的研究进行了总结和讨论;最后,报道了碳基非贵金属催化剂在质子交换膜燃料电池单电池中的应用进展.     

直接硼氢化物燃料电池阴极催化剂的研究进展

缓慢的阴极氧还原动力学和催化剂稳定性是制约直接硼氢化物燃料电池商业化的关键因素之一。为此,研究者在提高催化剂的催化活性与稳定性和降低催化剂成本方面开展了大量的研究工作。本文在简要介绍直接硼氢化物燃料电池的工作原理和阴极氧还原反应机理的基础上,从催化剂性能和反应机理角度综述了近年来直接硼氢化物燃料电池中贵金属和非贵金属两类阴极催化剂的主要研究进展,指出了阴极催化剂研究所面临的问题,同时提出了阴极催化剂研究的新的发展方向。     

质子交换膜燃料电池铂电催化剂稳定策略

质子交换膜燃料电池使用寿命低是制约其商业化应用的主要瓶颈. 其中,影响质子交换膜燃料电池寿命的一个主要因素是其所广泛使用的贵金属铂基电催化剂在燃料电池苛刻的运行环境下（如可变电压、强酸性、气液两相流等）容易发生降解,导致电催化剂性能衰减,从而降低了质子交换膜燃料电池的使用寿命. 因此,如何保持铂基电催化剂的电化学稳定性已成为质子交换膜燃料电池稳定性研究中的重大科学问题. 本论文基于作者在该领域的长期研究成果,评述了应用于质子交换膜燃料电池的铂电催化剂稳定性的研究进展. 重点关注了能够大幅改善铂催化剂电化学稳定性的策略,包括聚合物稳定策略、多孔碳封装/限域稳定策略以及载体稳定策略,并对这些铂催化剂稳定策略所面临的挑战进行了展望.     

金属氧化物在低温燃料电池催化剂中的应用

低温燃料电池具有比能量高、工作温度低、环境友好等优点,是一种颇具发展前景的便携式电源。但由于传统的Pt/C催化剂制造成本高,且电化学稳定性较低,影响了燃料电池的商业化进程。而金属氧化物在燃料电池工作环境下具有较高的电化学稳定性,同时与催化剂金属之间存在强烈的相互作用,能够改变氧气或燃料在催化剂金属表面上的吸附性质,从而改善催化剂的活性。本文针对低温燃料电池成本高和寿命短的两大问题,论述了金属氧化物助催化剂在提高催化剂活性和稳定性方面的应用,重点介绍了铌、锰、钛、钨和锡等几种金属元素的氧化物在低温燃料电池催化剂研究中进展,并对目前金属氧化物在低温燃料电池催化剂研究中存在的主要问题和发展前景进行了探讨和展望。     

燃料电池中Pt基催化剂对CO的催化氧化

燃料电池具有燃料多样性、噪声低、对环境污染小等优势,近年来备受研究者关注。然而,电池中的贵金属催化剂极易被少量的CO毒化,成为制约其商业化的一大障碍。因此,设计出高性能的催化剂对于推动燃料电池的发展十分关键。本文综述了燃料电池中铂(Pt)基催化剂对CO催化氧化的研究现状,首先探讨了CO催化氧化机理以及CO在Pt金属表面化学吸附的机理,其次详细介绍了Pt负载型催化剂、双金属催化剂以及助催化剂在催化反应中的不同作用,然后简单分析了影响Pt基催化剂性能的其他因素。最后,对燃料电池中Pt基催化剂的研究方向作了进一步的展望,旨在为燃料电池中CO催化氧化的发展开拓新思路。     

低温燃料电池担载型贵金属催化剂

本文对近年来低温燃料电池用担载型金属纳米催化剂的合成及其电化学性能作了回顾;综述了不同的贵金属及其合金(如Pt, Pt-Ru等)制备方法以及新型碳纳米材料作为催化剂载体的研究进展;对该领域今后的发展作了展望。     

高活性Co3O4负载单原子Au催化剂室温催化CO氧化

CO低温氧化是多相催化领域研究最多的反应之一.作为简单、典型的探针反应,其不仅具有重要的基础研究价值,而且在环境污染消除等方面也有着非常重要的实际应用价值.金属氧化物如铜锰(Hopcalite)、铜铬复合氧化物以及氧化钴等都具有优异的低温CO氧化活性.然而氧化物催化剂热稳定性低、反复启动性能差、以及对硫化物、水等物质敏感,严重制约了其实际应用.相对而言,负载型贵金属催化剂因具有较高的CO氧化活性、反应稳定性以及热稳定性而受到关注.但是贵金属价格昂贵、资源稀少,使其持续应用面临严峻挑战.为了提高贵金属利用效率、降低贵金属使用量,在负载型贵金属催化剂中,贵金属多以纳米尺度分散于高比表面载体上.由于多相催化一般在纳米粒子表面发生,只有表面金属原子能够接触到反应物,因而贵金属原子利用率仍然有待提高.最近本课题组成功开发以原子级分散的单原子催化剂并提出“单原子催化”的概念.后续研究以及其他研究人员相继证明氧化物负载贵金属单原子具有高活性和/或不同于纳米粒子的反应性能,表明开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径.对于CO氧化而言,目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性.然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议：理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性,但是缺少实验证据;目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道,结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇.最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性.本文将载体拓展到氧化钴,开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂, Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化. Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备,400 oC焙烧.然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面.具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上.催化剂在第一个循环中活性并不非常高,但是在第二个循环中活性提高非常明显,可以在室温条件下实现CO全转化.为了弄清楚活性提高的原因,我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5%O2/He)以及还原性气体(5%CO/He)对催化剂进行了热处理,但是活性提高并不明显.由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化,导致活性显著提高.空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性,但是远不如负载少量Au原子活性高,表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用.稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活,但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复,表明不是结构性失活而是可逆失活,说明单原子非常稳定.     

低温燃料电池的纳米电催化材料:综述(英文)

Low temperature fuel cells are an attractive technology for transportation and residential applica‐tions due to their quick start up and shut down capabilities. This review analyzed the current status of nanocatalysts for proton exchange membrane fuel cells and alkaline membrane fuel cells. The preparation process influences the performance of the nanocatalyst. Several synthesis methods are covered for noble and non‐noble metal catalysts on various catalyst supports including carbon nanotubes, carbon nanofibers, nanowires, and graphenes. Ex situ and in situ characterization methods like scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy and fuel cell testing of the nanocatalysts on various supports for both proton exchange and alkaline membrane fuel cells are discussed. The accelerated durability estimate of the nanocat‐alysts, predicted by measuring changes in the electrochemically active surface area using a voltage cycling method, is considered one of the most reliable and valuable method for establishing durabil‐ity.     

Sustainable Production of Chemicals via Hydrotreating of CO2 and Biomass Derived Molecules Using Heterogeneous Noble Metal Oxide Catalysts

The noble metals are widely used in heterogeneous catalysis and automobile industry. The limited natural sources and high cost of noble metals dictates improving the efficiency of modern industry. This review considers the applications of noble metal oxide as potential solutions to the sustainability issues, including biomass conversion, CO₂ capture and conversion, green fuel production, etc. Noble metal oxides with their different compositions (monometallic and bimetallic) and structures exhibit a wide range of properties in heterogeneous catalysis. Although platinum metals in an oxidized form may not be the most common choice in hydroprocesses; recently, there have been studies indicating that they were highly active and selective catalysts in hydrogenation and hydrogenolysis. This review outlines the most established noble metal oxide catalysts used in hydrogenation catalysis and shed the light on the relation of noble metal oxide species to catalyst selectivity based on state-of-the-art techniques. Finally, the perspectives on the application of noble metal oxide catalysts to produce value-added chemicals are discussed.     

在氢气氧化反应中具有高催化活性的Pt修饰的Ni/C纳米催化剂

随着能源需求的进一步增多和化石能源的大幅度减少,新型环境友好型能源成为近十年许多科研工作者的着力点.其中,燃料电池作为一种高效率、高能量密度、环境友好型能源引起了人们的关注.氢氧燃料电池研究最早、应用最早,具有得天独厚的优势.此外,由于近些年CO2的大量排放,造成了严重的温室效应,其处理也是一个严峻的课题.谢和平课题组提出的CO2矿化发电,不仅可以处理CO2,也可以作为新型能源应用,前景广阔.而不论是氢氧燃料电池还是CO2矿化电池,其阳极反应均为氢气氧化反应(HOR).Pt作为目前仍无法取代的HOR反应催化剂,不仅全球储量有限且价格昂贵,所以,寻找一种价格低廉催化性能好的催化剂成为这些新能源进一步应用的重要课题之一.对此人们进行了大量探索,主要包括尝试不同的载体、改变金属颗粒尺寸形貌等.其中,伽伐尼置换法对于制备纳米核壳结构催化剂以及降低金属颗粒尺寸、增加比表面积均有很大帮助.基于此,本文采用浸渍法和伽伐尼置换法制备了用Pt修饰Ni/C的纳米催化剂,使得纳米级活性金属均匀分散在载体上,加之双金属效应,相对于纯Pt/C催化剂,催化能力提高.浸渍法制得Ni/C前驱体,再将其置于纯乙醇中,用H2PtCl6作为Pt源置换部分Ni,得到Pt修饰的Ni/C催化剂.XRD射线衍射测试结果表明,一般的PtNi合金由于晶格相互影响,只会出现Pt的偏移衍射峰,而该催化剂均出现明显的PtNi两种元素的衍射峰,PtNi晶格互相没有影响.循环伏安法测试结果表明,在Pt-Ni/C系列催化剂中,Pt和Ni含量不同,其电化学活性面积(ECSA)各不相同.在金属总含量一致的前提下,随着Pt含量的增加,催化剂ECSA先增加后减小,最大值为66.90 m2/g,是市售Pt/C(54.12 m2/g)的1.24倍.Tafel测试HOR/HER反应交换电流密度的结果与ECSA结果一致,而Pt-Ni/C催化剂的交换电流密度最高可达485.45 A/g,是市售Pt/C(301.91 A/g)的1.6倍.对性能较好的Pt-Ni/C催化剂进行了表征,X射线光电子能谱结果发现,该催化剂载体上只有少部分Ni的氧化物裸露在表面,大部分为Pt.而透射电镜结果表明,该催化剂纳米级活性金属颗粒尺寸一致,且均匀地分散在载体表面.综合催化剂表征和电化学性能测试结果可知,使用伽伐尼置换法得到的Pt修饰的Ni/C催化剂分散均匀、颗粒尺寸小,且由于Pt作为主要催化活性金属分散于催化剂表面,而Ni作为辅助金属并不直接参与HOR反应,使得该催化剂具有较高的电化学活性.在Pt含量较少时,由于有很多Ni在催化剂表面,且催化层厚度较大,故催化活性一般.随着Pt含量的增加和Ni含量的减少,当催化剂表面只有很少Ni及相关化合物时,由于Pt比表面积大,故活性最高.当Pt含量继续增加时,Pt在Ni表面厚度增加,很多Pt被包裹,故催化活性再次降低.     

Novel dual-bed reactors: utilization of hydrogen spillover in reactor design

Hydrogen spillover over macroscopic distances was demonstrated and exploited in the design of two novel catalytic reactors for 1-butene isomerization. A dual-bed reactor containing separate zones of noble metal and bimetallic catalysts yielded activities up to 2.7 times greater than that of the noble metal alone. The noble metal catalyst contained palladium supported on graphitic carbon. The bimetallic catalyst contained a base metal, either iron or cobalt, and a lanthanide metal, either cerium or praseodymium, also supported on graphitic carbon. The bimetallic catalysts by themselves had no measurable activity at the current experimental conditions. Results from a dual-bed, dual-feed reactor using the same catalysts showed dramatic activity increases relative to controls. In this reactor, the hydrocarbon never contacted the noble metal catalyst, yet substantial hydrocarbon conversion was measured. No hydrocarbon conversion was detected when blank support replaced the bimetallic catalyst or when no material at all was placed above the noble metal catalyst. In both reactors, the activity increase was attributed to hydrogen spillover. That is, molecular hydrogen adsorbed and dissociated on the noble metal catalyst. The adsorbed atomic hydrogen was then transported via surface diffusion to the bimetallic catalyst, activating those sites. The results also demonstrated that a catalytic reaction may occur at distinctly different reactive sites and that catalysts may be selected to promote specific steps within the reaction.     

贵金属单原子催化剂的制备及其在CO、VOCs完全氧化反应中的应用北大核心CSCD

为有效提高负载型催化剂中贵金属的原子利用效率,贵金属单原子催化剂逐渐成为一个研究热点和前沿课题.我们针对单原子催化剂在催化氧化领域中的应用,综述了几种贵金属单原子催化剂的典型制备方法,包括原子层沉积法、湿法化学法、光化学辅助法、热解法等,并讨论了上述方法的优缺点.此外,对比传统贵金属负载型催化剂,我们重点讨论了贵金属基单原子催化剂在CO催化氧化、挥发性有机化合物(VOCs)催化氧化、催化机理等催化氧化过程中的最新研究进展,尤其是贵金属基单原子催化剂在低温低浓度催化氧化过程中表现出的优异催化活性、抗水性和抗毒性,表明该类催化剂具备极大的工业应用潜力.最后,进一步从大规模工业应用角度探讨了单原子催化剂目前面临的挑战和可能的解决办法,期望可以为应用于催化氧化过程的高效、稳定的单原子催化剂的设计提供思路.     

N,P‐Codoped Carbon Networks as Efficient Metal‐free Bifunctional Catalysts for Oxygen Reduction and Hydrogen Evolution Reactions

The high cost and scarcity of noble metal catalysts, such as Pt, have hindered the hydrogen production from electrochemical water splitting, the oxygen reduction in fuel cells and batteries. Herein, we developed a simple template‐free approach to three‐dimensional porous carbon networks codoped with nitrogen and phosphorus by pyrolysis of a supermolecular aggregate of self‐assembled melamine, phytic acid, and graphene oxide (MPSA/GO). The pyrolyzed MPSA/GO acted as the first metal‐free bifunctional catalyst with high activities for both oxygen reduction and hydrogen evolution. Zn–air batteries with the pyrolyzed MPSA/GO air electrode showed a high peak power density (310 W g^?1) and an excellent durability. Thus, the pyrolyzed MPSA/GO is a promising bifunctional catalyst for renewable energy technologies, particularly regenerative fuel cells.