分子前驱体衍生的氧化镍电极催化水氧化性能研究（英文）

太阳能分解水制氢是解决当前能源和环境危机的潜在手段之一.其中由于水氧化半反应涉及4个电子和4个质子的转移,因此是全分解水反应的瓶颈所在.为了发展高效的水氧化催化剂,降低水氧化过电位,人们付出了巨大的努力.目前活性最高的水氧化催化剂都是基于钌和铱的贵金属催化剂,高昂的成本阻碍了这些催化剂的规模化应用,因此人们尝试利用各种方法制备基于廉价金属的水氧化催化剂.2008年,Nocera课题组利用电沉积法从磷酸溶液中得到了高活性氧化钴催化剂,之后该法逐渐得到推广.最近,Spiccia和Allen课题组利用分子前驱体通过电沉积法制备了氧化镍催化剂,但其催化活性和稳定性有待进一步提高.本文将一个简单的镍配合物[Ni(en)_3]Cl_2(en=1,2-乙二胺)作为前驱体溶解到磷酸缓冲溶液中,在FTO基底上电沉积得到具有高催化活性的氧化镍水氧化催化剂.在pH=11的磷酸缓冲溶液中,由分子前驱体沉积所得到的NiO_x的催化电流达到1 mA/cm~2时的过电位为375 mV,且可稳定工作10 h以上.其催化过程中的Tafel斜率为46 mV/decade,表现出优异的动力学特性.该电极和之前文献中催化活性最高的从分子前驱体衍生得到的NiO_x相比展现出较大的优势.比如在1.3 V(相对于NHE)电压下,[Ni(en)3]Cl2衍生的NiO_x催化电流密度可以达到8.5 mA/cm~2,法拉第效率为98%.而Ni-氨基乙酸衍生的NiO_x在相同条件下催化电流密度为4 mA/cm~2,法拉第效率仅为60%.该工作充分证明以分子配合物作为前驱体是制备高效高稳定性多相水氧化催化剂的简便途径.有机配体和金属螯合的分子前驱体在结构上具有灵活可调的特性,从而有助于构建活性和效率更高的催化体系.     

基于Cu(Ⅱ) Tricine配合物制备氧化铜薄膜及其电催化水氧化活性

众所周知, 传统化石燃料的大量使用不仅导致严重的环境污染和温室效应, 而且化石能源本身也面临着枯竭的危机.所以, 探索全新的、环境友善的、可持续发展的能源载体一直备受国内外科研工作者的关注. 氢能是一种清洁的可再生能源, 是有潜力的化石能源替代品. 水分解是一种有效的、理想的产氢途径, 然而水氧化反应是多质子多电子传递的过程, 是制约整个水分解过程的瓶颈. 目前, 基于贵金属(铱和钌)分子和氧化物的电催化剂已经被报道很多, 并且可以保持很好的催化活性; 但是, 这一类催化剂差的稳定性、昂贵的价格和少的地壳含量等因素严重制约了其大规模实际应用. 因此, 开发基于非贵金属(钴、镍、铁、铜、锰)的新型电催化剂材料是解决该问题的唯一出路, 但要保证电催化剂的高活性和好的稳定性仍面临着诸多挑战.在众多的非贵金属中, 铜是一种来源广泛的金属, 而且铜对生物体毒性较小. 由于铜具有良好的配位化学和多重的氧化还原特性, 近年来, 很多基于铜的水氧化电催化剂被开发和研究.我们在含有1.0 mmol/L Cu2+和2.0 mmol/L Tris配体的磷酸缓冲溶液(0.2 mol/L, pH = 12.0)中, 采用1.15 V vs. NHE恒电位电沉积的方法, 在ITO导电玻璃上制备出基于铜的水氧化催化剂薄膜(Cu-tricine). 对得到的催化剂薄膜进行扫描电镜(SEM)测试, 该催化剂均匀负载在ITO表面, 厚度大约是1.4 μm. 为了更加深入研究Cu-Tricine催化剂薄膜, 采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对Cu-tricine催化剂进行表征, 结果表明, 该催化剂薄膜是一种结晶度较差的无定形材料. 同时, 为了研究催化剂薄膜的元素组成及其所处状态, 对催化剂进行了能量散射X射线能谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)测试, 结果表明, 该催化剂由铜和氧元素组成, 并且铜是以正二价存在. 由高分辨O 1s XPS谱图分析结果可以推测, Cu-Tricine催化剂可能是由氧化铜和氢氧化铜组成. Cu-tricine催化剂的水氧化活性是在0.2 mol/L的磷酸缓冲溶液(pH =12.0)中进行测试, 从塔菲尔曲线中可以得出, 该催化剂达到1.0 mA/cm2的催化电流密度所需的过电位是395 mV, 塔菲尔斜率为46.7 mV/decade. 此外, 在1.15 V vs. NHE的电位下, 在10 h的电解过程中, Cu-tricine催化剂薄膜可以将催化电流密度一直保持在7.5 mA/cm2, 并且得到的法拉第效率为99%.     

缓冲溶液阴离子对三价铜催化剂催化水氧化过程的影响

水氧化是光解水制氢气的瓶颈反应,认识和理解水氧化机制并研发廉价稳定的催化剂对解决这一问题尤为重要.自1982年Meyer课题组报道了第一例分子型双核钌水氧化催化剂(blue dimer)以来,过渡金属配合物被广泛应用于探索这一氧化过程的规律和机理,特别是近几年廉价金属配合物在水氧化领域的应用也备受关注.由于水氧化一般在苛刻的氧化条件下才可以实现,如何提高过渡金属配合物在催化条件下的稳定性一直是分子催化剂结构设计的一个难点.利用部分分子催化剂的不稳定性,将其作为前体制备非均相金属氧化物催化剂,广泛用于水氧化研究.然而,对于催化水氧化过程中造成分子催化剂不稳定的因素却鲜有探讨.因此,了解分子催化剂和异相活性物种之间原位转化的机理对于分子催化剂设计至关重要.本文考察了大环配体(TAML)的三价铜配合物(TAML-CuⅢ)的氧化还原性质及其电催化水氧化的反应性能.实验结果表明,TAML-CuⅢ的催化水氧化活性与缓冲溶液种类有关,在磷酸盐溶液与碳酸氢钠溶液中均无催化活性,而在硼酸溶液中表现出较高的催化活性.此外,TAML-CuⅢ工具有与本课题组之前报道的TAML-CoⅢ截然不同的电化学行为.TAML-CuⅢ只能发生配体的单电子氧化生成TAML·+-CdⅢ,且该物种无法实现对水分子的活化.进一步实验结果表明,生成的TAML·+-CuⅢ在硼酸根的协助下可以发生进一步氧化和配体的水解,从而生成具有高活性的非均相物种.研究表明该活性物种为含硼的氧化铜物种(B/CuOx).通过本文研究可得出两个结论:(1)具有平面四方构型的三价铜配合物不是一种有效催化水氧化的分子型催化剂;(2)缓冲阴离子在分子催化剂的分解中起到了关键作用.因此,缓冲溶液的选择对催化剂的电化学行为以及稳定性有着重要的影响.     

经由[Ni(en)_3](SeO_3)配合物电镀制备的硒化镍高效电催化水分解反应（英文）

电催化水分解是一种高效制备清洁氢气能源的有效方法.开发高效、稳定、廉价、双功能的电催化剂用于水的氧化与还原反应一直以来都是具有挑战的课题.在这篇论文中,作者报道了一种生长在碳布上高活性的硒化镍微球.该催化剂通过对同时包含镍和硒元素的亚硒酸镍配合物进行电解制备.由于前驱分子同时含有两种有效元素,制备得到的硒化镍具有很好的形貌和元素分步均一性.制备得到的NiS e-EA/CC电极能够双功能催化水的氧化与还原.在154 mV析氢过电势下能达到10 mA·cm~(-2)的催化电流.同时,在250 mV析氧过电势下能达到20mA·cm~(-2)电催化电流.用该电极材料同时作为阴极和阳极制备的全电解水电解池能在1.53 V的电压下实现10mA·cm~(-2)的稳定电解电流.     

电喷雾离子化技术制备FeNi(OH)x薄膜及电催化水氧化性能

采用电喷雾离子化沉积技术, 在氟掺杂锡氧化物(FTO)衬底上制备了均匀的无定形铁镍双金属氢氧化物薄膜. 与浸泡法制备的薄膜相比, 该薄膜具有更高的纯度、 更大的比表面积和较高的电催化水氧化性能, 在10 mA/cm ²时的过电位为290 mV, 并在催化反应中表现出良好的稳定性, 为可控合成高催化活性的过渡金属氢氧化物薄膜提供了一种新方法.     

Buffer anion effects on water oxidation catalysis: The case of Cu(III)complex

水氧化是光解水制氢气的瓶颈反应,认识和理解水氧化机制并研发廉价稳定的催化剂对解决这一问题尤为重要.自1982年Meyer课题组报道了第一例分子型双核钌水氧化催化剂(bluedimer)以来,过渡金属配合物被广泛应用于探索这一氧化过程的规律和机理,特别是近几年廉价金属配合物在水氧化领域的应用也备受关注.由于水氧化一般在苛刻的氧化条件下才可以实现,如何提高过渡金属配合物在催化条件下的稳定性一直是分子催化剂结构设计的一个难点.利用部分分子催化剂的不稳定性,将其作为前体制备非均相金属氧化物催化剂,广泛用于水氧化研究.然而,对于催化水氧化过程中造成分子催化剂不稳定的因素却鲜有探讨.因此,了解分子催化剂和异相活性物种之间原位转化的机理对于分子催化剂设计至关重要.本文考察了大环配体(TAML)的三价铜配合物(TAML-CuIII)的氧化还原性质及其电催化水氧化的反应性能.实验结果表明, TAML-CuIII的催化水氧化活性与缓冲溶液种类有关,在磷酸盐溶液与碳酸氢钠溶液中均无催化活性,而在硼酸溶液中表现出较高的催化活性.此外, TAML-CuIII具有与本课题组之前报道的TAML-CoIII截然不同的电化学行为.TAML-CuIII只能发生配体的单电子氧化生成TAML·+-CuIII,且该物种无法实现对水分子的活化.进一步实验结果表明,生成的TAML·+-CuIII在硼酸根的协助下可以发生进一步氧化和配体的水解,从而生成具有高活性的非均相物种.研究表明该活性物种为含硼的氧化铜物种(B/Cu Ox).通过本文研究可得出两个结论:(1)具有平面四方构型的三价铜配合物不是一种有效催化水氧化的分子型催化剂;(2)缓冲阴离子在分子催化剂的分解中起到了关键作用.因此,缓冲溶液的选择对催化剂的电化学行为以及稳定性有着重要的影响.     

泡沫镍负载Ni/Fe磷化物电催化性能研究

使用硫酸镍、硝酸铁、磷酸二氢铵和柠檬酸钠在泡沫镍为载体的基底上,采用电沉积方法制备出泡沫镍负载Ni磷化物(nickel phosphide)和泡沫镍负载Fe磷化物(iron phosphide)两种电催化剂,通过SEM测试表征催化剂的结构及形貌,并通过电化学测试催化剂的析氧和析氢及催化活性等参数。研究结果表明：在100mA/cm²电流密度下,Ni磷化物工业过电位为349mV,相较于Fe磷化物催化活性性能高了33%;Ni磷化物和Fe磷化物的催化面积(C_dl)值分别为27.01 mF/cm²和3.64 mF/cm²,Ni磷化物较Fe磷化物的活性面积提高近10倍。     

K-Ce改性类水滑石前驱体Co-M—Al复合氧化物催化分解N2O

采用共沉淀法制备不同组分类水滑石前驱体Co-M—Al和Co—M—Ce—Al（M=Zn,Ni,Cu）复合氧化物催化剂催化分解N2O．结果表明,Co—M—Al系列氧化物催化剂的催化活性Co—Ni-Al系列〉Co—Zn-Al系列〉Co—Cu-Al系列;CeO2添加使得催化剂催化活性进一步提高,N20分解温度T50和马0均下降80℃;继续负载碱金属K也使氧化物催化剂催化活性提高,N2O分解温度T50和T90下降约50℃.     

基于Ru-bda双核钌催化剂的可见光驱动水氧化

开发高效水氧化催化剂对于太阳能分解水制氢和 CO2还原都具有重要意义. 我们之前的研究表明, 基于 Ru-bda(bda= 2,2'-联吡啶-6,6'-二羧酸) 单体的双核钌催化剂在以 (NH4)2Ce(NO3)6为氧化剂的化学法水氧化反应中表现出良好的催化性能, 比相同条件下单核钌催化剂的活性高出一个数量级. 然而, 该类双核钌催化剂的光催化水氧化性能尚未被系统研究.因此我们考察了以丙烷桥双核钌配合物为催化剂、[Ru(bpy)3]Cl2为光敏剂、Na2S2O8为电子牺牲体组成的三组分体系的光催化性能, 并和相应的单核钌催化剂进行了对比, 同时考察了溶液中乙腈的含量对单、双核钌分子催化剂光催化产氧性能和产氧机理的影响.实验结果表明, 无论是单核还是双核钌催化剂, 其催化活性与乙腈在磷酸缓冲溶液中的比例密切相关. 乙腈的含量不仅影响了水氧化的驱动力, 而且影响 O-O 的形成机理, 改变反应的动力学和反应速率. 单、双核钌催化剂的活性都随着乙腈比例的增加而增加, 然而双核钌催化剂在低乙腈含量的缓冲溶液中展现优于单核钌催化剂的光催化性能; 而在高乙腈含量的缓冲溶液中, 双核钌催化剂和单核钌催化剂的光催化性能趋于相当. 在最优化条件 (60% 乙腈) 下, 双核钌的光催化产氧 TON 值达到 638, 在 450 nm 的光量子效率达到 77%. 我们还发现, 当乙腈浓度较低时, 单核钌催化剂 Ru-bda 催化的水氧化反应为二级动力学; 当乙腈浓度较高时, 该催化剂在反应中表现为一级动力学. 从而推测 O-O 键的形成机制由双分子自由基耦合转变成单分子亲核进攻, 也解释了为什么高乙腈含量下单核和双核钌催化剂的活性差别不大. 本研究所展示的 Ru-bda 的溶剂效应可能同样适用于电化学和光电化学水氧化, 对深入理解和设计高效太阳能分解水器件具有重要意义.     

基于流电沉积法制备的Pt/Ni/Al_2O_3催化剂及其对CO催化性能

以水滑石为前驱体,通过流电沉积法制备了Pt负载型催化剂。在该催化剂中,贵金属Pt具有良好的分散性。此外,以CO氧化为探针反应考查了不同Pt负载量对CO催化氧化性能的影响。结果表明,当Pt的负载量为5%时,催化剂对CO的完全转化温度仅为90℃。     

TiO_2/CuPc/NiFe-LDH photoanode for efficient photoelectrochemical water splitting

Photoelectrochemical(PEC) water splitting is a promising approach for renewable hydrogen production.However,the practical PEC solar-to-fuel conversion efficiency is still low owing to poor light absorption and rapid recombination of charge carriers in photoelectrode.In this work,we report a ternary photoanode with simultaneously enhancement of light absorption and water oxidation efficiency by introducing copper phthalocyanine(CuPc) and nickel iron-laye red double hydroxide(NiFe-LDH) on TiO_2(denoted as TiO_2/CuPc/NiFe-LDH).An experimental study reveals that CuPc loading on TiO_2 bring strong visible light absorption;NiFe-LDH as an oxygen evolution reaction catalyst efficiently accelerates the surface water oxidation reaction.This synergistic effect of CuPc and NiFe-LDH gives enhanced photocurrent density(2.10 mA/cm2 at 0.6 V vs.SCE) and excellent stability in the ternary TiO_2/CuPc/NiFeLDH photoanode.     

Electrochemical water oxidation by photo-deposited cobalt-based catalyst on a nano-structured TiO2 electrode

A cobalt-based catalyst was directly photo-deposited on the surface of a widely used n-type nano-structured semiconductor(TiO 2).Different thicknesses of the TiO 2 films as well as different time of photo-deposition of the Co-based catalyst on TiO 2 films have been optimized.It was found that the electrode with 3 layers of TiO 2 film(in 8 m thickness) and 1 hour photo-deposition of the cobalt-based catalyst by light irradiation from a 500 W Xenon lamp gave the highest current density(～5 mA/cm 2).Using this cobalt-modified TiO 2 film as a working electrode in an electrochemical device,highly efficient water oxidation has been demonstrated in a pH 7.0 aqueous solution with low overpotential.     

原位合成氧化镍硼/石墨炔杂化材料用于提高光/电催化产氢性能

当今世界面临严峻的能源紧缺和环境污染问题,发展高效无污染的清洁能源替代传统化石能源成为近几十年科研工作者的研究热点.其中,氢能由于具有高燃烧值和产物无污染等优点成为理想的替代能源.光/电催化水分解产生氢气是最有效的制氢方法之一.目前,高活性的产氢催化剂仍以贵金属为主,但贵金属价格高昂和稀缺性等限制了其大规模应用,因此,开发和设计廉价、高效的非贵金属产氢催化剂变得尤为重要.为了提高非贵金属催化剂的催化活性,基于非贵金属的复合材料的构建被广泛研究.例如,通过非贵金属和碳材料的复合,能够提高比表面积和电子传输速率,优化活性位点的电子结构,从而提高催化活性.石墨炔(GDY)作为一种新兴碳材料,由sp²-和sp-杂化碳共同组成.由于GDY具有高度π共轭结构,大的比表面积和独特的双炔键,可作为载体与非贵金属离子相互作用形成复合材料,制备高效产氢催化剂.基于此,本文在室温下原位合成了强耦合相互作用的氧化镍硼/石墨炔(NiBi/GDY)催化剂,并将其应用于光/电催化产氢反应.在光催化产氢反应中,采用曙红为光敏剂,三乙醇胺为牺牲剂,可见光下NiBi/GDY的光催化产氢速率可达4.54 mmol g^-1h^-1,产氢速率分别是氧化镍硼/石墨烯(NiBi/graphene)和NiBi的2.9倍和4.5倍.此外,NiBi/GDY在1.0 M KOH溶液中也表现出良好电催化产氢性能,电流密度为400 mA/cm²时其过电位为478.0 mV,低于商业铂碳(505.3 mV@400 mA/cm2).NiBi/GDY在光/电催化产氢实验中表现出的较好催化性能可归因于NiBi和GDY之间强耦合相互作用对NiBi电子结构的优化.上述研究结果表明,石墨炔可作为理想载体制备高效的光/电催化剂,同时本文为设计高效稳定的非贵金属产氢催化剂提供了一定的借鉴意义.     

葡萄糖在碳纳米管/纳米TiO2膜载Pt复合电极上的电催化氧化

用电化学循环伏安法和计时电位法研究了葡萄糖在碳纳米管／纳米TiO2膜载Pt(CNT／nano-TiO2／Pt)复合电极上的电催化氧化,结果表明,在碱性介质中CNT／nano-TiO2／Pt复合电极对葡萄糖的电氧化具有高催化活性,葡萄糖氧化峰电流密度高达13mA／cm^2,比铂电极上的增大一倍;复合电极性能稳定,抗中毒能力强,不易发生氧化振荡,是葡萄糖燃料电池和葡萄糖传感器的高活性催化电极。     

铂微粒修饰的氧化钛电极对甲醇的电催化氧化性能

直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMPEMFC)可用作未来电动车辆的动力电源,但要达到实际应用还有大量问题有待进一步解决.目前限制DMPEMFC实际应用的主要问题是甲醇阳极氧化催化剂低的活性、高的价格及催化剂的毒化.     

SILAR法制备TiO2/CdS/Co-Pi水氧化光阳极及其性能

采用连续离子层吸附法（SILAR）沉积CdS制备type-Ⅱ异质结TiO₂/CdS光阳极,用光电化学沉积法在TiO₂/CdS表面沉积催化剂（Co-Pi）得到TiO₂/CdS/Co-Pi水氧化光阳极。通过X射线衍射（XRD）仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）仪等对样品结构及组成进行分析,证明CdS与Co-Pi已成功负载在TiO₂表面。用已制备的光阳极在中性溶液中模拟水氧化测试,在较低外偏压（0 V（vs Ag/AgCl））和无电子牺牲剂的情况下,即使在可见光照射下,依然得到较高的初始光电流和稳定光电流,分别为1.3和0.5 mA·cm^-2,表明制备的光阳极可以在可见光照下有效地驱动水氧化反应。光电化学池的工作原理为,CdS吸收光子产生光生电子-空穴,TiO₂和Co-Pi分别传输电子和空穴,空穴进行水氧化,电子转移到阴极完成质子还原。     

An amperometric glucose biosensor based on glucose oxidase immobilized in electropolymerized poly(o-aminophenol) and carbon nanotubes composite film on a gold electrode.

An amperometric glucose biosensor is developed that is based on immobilization of glucose oxidase (GOD) in a composite film of poly(o-aminophenol) (POAP) and carbon nanotubes (CNT), which are electrochemically co-polymerized at a gold (Au) electrode. Because of the high surface per volume ratio and excellent electrical conductivity of CNT, the biosensor based on an Au/POAP/CNT/GOD electrode has lower detection limit (0.01 mM), larger maximum response current (0.24 mA cm(-2)) and higher sensitivity (11.4 mA M(-1) cm(-2)) than the values of the biosensor based on an Au/POAP/GOD electrode. Additionally, the biosensor shows fast response time, large response current, and good anti-interferent ability for ascorbic acid, uric acid and acetaminophen. Good reproducibility and stability of the biosensor are also observed.     

PANI/MWCNT电极在硫酸锂溶液中电容性能

化学氧化法制备聚苯胺/多壁碳纳米管复合材料(PANI/MWCNT),扫描电镜(SEM)、XRD及IR表征样品结构及形貌,电化学方法测定复合电极循环伏安曲线、恒流充放电曲线及电极交流阻抗.结果表明,PANI/MWCNT电极在1mol/L的Li2SO4溶液中具有较好电容性能,在电流密度为5mA/cm2时,比电容为412F/g.PANI/MWCNT电极较PANI电极有更好的大电流放电能力,50mA/cm2下复合电极的比电容仍达318F/g,为5mA/cm2时该电极比电容的77.2%,而PANI电极的比电容仅为其5mA/cm2时的56.2%.交流阻抗证明碳纳米管降低复合电极的电阻,显著提高大电流放电能力.     

MnO_2掺杂的M_mNi_(3.2)Al_(0.2)Mn_(0.6)Co_(1.0)对NaBH_4氧化的电催化性能

通过测试线性扫描伏安曲线研究了MmNi3.2Al0.2Mn0.6Co1.0(Mm为混合稀土)经KOH处理和MnO2掺杂对催化NaBH4电氧化性能的影响.发现NaBH4在经KOH处理后的合金上峰电流达到50mA/cm2.若再进行MnO2掺杂,其电催化活性会进一步提高,当掺杂MnO2的质量分数为10%时,MmNi3.2Al0.2Mn0.6Co1.0对NaBH4电氧化的峰电位和峰电流密度分别为-0.45V和126mA/cm2,峰电流密度为只经过KOH处理的合金的2.5倍,是未经过任何处理的合金的9倍.