燃料电池反应器在化学品与电能共生中应用

燃料电池作为能源转换装置能够高效地将化学能转化为电能,随着技术的发展人们将其作为反应器来完成高附加值的化学品的合成,同时产生一定的电能. 燃料电池反应器因具有反应条件温和、反应过程可控、产物选择性高、能源利用效率高等特点,而被广泛地应用于医药中间体的制备、气体分离、水处理等多个领域. 本文首先按照反应器中阴阳极区域发生反应的类型进行分类,介绍燃料电池反应器在化学品与电能联产中的研究现状和研究进展. 随后描述了燃料电池反应器中存在的问题,并依照催化剂、反应过程等方向对解决方案进行探讨. 最后,对几种新型燃料电池反应器的研究进行了简要的介绍并对其发展做出了展望.     

光助燃料电池的研究进展

化石燃料的大量开采和利用所导致的能源与环境问题是当今社会可持续发展必须面对的两大挑战. 燃料电池通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能, 是目前清洁高效的可再生能源转化装置. 光助燃料电池将光响应成分引入到燃料电池中, 可以实现光能/电能和化学能/电能的双重转化, 从而有效提高能源利用效率, 是未来能源转化装置的发展方向, 在实际应用方面具有重要意义和广阔前景. 本文对光助燃料电池进行了简要综述, 重点介绍了我们小组近些年来在该领域的相关研究进展, 总结了目前存在的一些问题, 并对其发展趋势进行了展望.     

乙烷脱氢共生电能-增值化学品固体氧化物燃料电池研究进展

天然气/页岩气供应大幅增加推动了全球由乙烷制取乙烯等增值化学品的发展,深刻改变着石化产业的格局,乙烷高效清洁地转化为更高价值化学品具有深远意义. 乙烷蒸汽裂解制乙烯是一项比较成熟的工业生产技术,但是这一过程存在耗能高、积碳严重、热力学平衡受限等问题. 电能-增值化学品共生固体氧化物燃料电池由于可以将燃料气自发反应转化为高价值化学品的同时释放电能的特点被广泛研究. 本文总结了采用共生固体氧化物燃料电池将乙烷电化学脱氢共生乙烯增值化学品和电能的最新研究进展,重点介绍了固体氧化物燃料电池在乙烷脱氢中的工作原理和优势以及电解质和电极材料的选择等方向的研究发展,表明通过燃料电池技术低能耗实现乙烷共生乙烯增值化学品与电能具有显著的优越性,在实现高效节能的工业化生产中具有非常巨大的应用潜力.     

燃料电池技术在电催化反应领域的应用

燃料电池反应器是一种既能生产有价值化学品,又能同时发电的新型单元操作装置.由于其安全、反应易受控制、无污染,且能源资源利用率高的特点,日益受到各国工业部门的重视.本文评述了几类燃料电池反应器如酸性燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的用途、工作原理及其实现工业化所面临的几个主要问题。     

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展（英文）

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注.燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置.在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应.但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化.为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂.找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一.近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性.然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少.人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 m V的过电位,与金属铂(约200 m V)相比基本可忽略.通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质.进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应.本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标.氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较.随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状.根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍:(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用.最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望.继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂.希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向.     

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注。燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置。在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应。但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化。为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂。找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一。近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性。然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少。人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 mV的过电位,与金属铂(约200 mV)相比基本可忽略。通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质。进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应。
　　本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标。氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较。随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状。根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍：(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用。最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望。继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂。希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向。     

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.     

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。     

稀土金属在生物乙醇制氢及其相关反应中的应用

催化生物乙醇制氢有望成为用清洁可再生能源替代化石能源的有效途径,近年来受到广泛关注。本文介绍了制氢的研究概况及燃料电池的相关应用,概括了生物乙醇制氢的优势及反应过程。重点综述了以Ce和La为代表的稀土金属在乙醇制氢反应中的催化效果,并对与制氢反应紧密相关的甲烷水蒸气变换反应、水汽变换反应、CO选择性氧化反应和黑碳氧化反应中稀土金属的催化作用进行了探讨。在综述相关研究进展的基础上为生物乙醇制氢催化剂的开发提供建议。     

《电极过程简明教程》

本书原为英国皇家化学会出版,是一本电化学入门级的经典教材。书中将电极反应原理、应用技术与实验方法有机地融为一体,化繁为简,讲述深入浅出。内容涵盖了电极反应过程及界面现象、电子转移过程,各种复杂的电极反应,实验电化学,电极反应研究技术,燃料电池等。本书特别适合作为电化学专业的本科生教材,也可用作能源、材料、环境等     

生物质平台化合物电催化制备高值燃料与化学品研究进展

生物质是一类丰富的可再生碳基资源, 有望代替传统化石资源生产燃料和化学品, 受到了广泛关注和研究. 近年来, 电催化作为一种绿色高效的转化策略, 成为生物质催化转化的重要研究方向之一, 具有巨大的应用前景. 本文总结了生物质平台化合物电催化制备高附加值燃料与化学品的研究进展, 根据反应类型重点介绍了电催化氧化、 还原和偶联反应, 对催化反应过程和机理进行了阐述, 并对电催化生物炼制的前景进行了展望.     

用于生物电化学系统的石墨烯电极新进展

可持续社会的发展需要成本低, 并从废物或废水中提取能源或将能源转化为产品的环境友好技术. 近年兴起的生物电化学系统(BESs)利用微生物催化不同电化学反应, 是将废物或废水中能量转化为电能等多种产品的发展前景广阔的新技术. 当有关反应的吉布斯自由能小于零, 系统输出电能, 此时的BESs即为微生物燃料电池(MFCs); 相反, 若反应的吉布斯自由能为正值, 此时的BESs被称为微生物电解电池(MECs). 随着研究工作的不断深入和拓展, BESs的电极性能已成为制约其应用的瓶颈. 石墨烯以其独特的结构和优异的材料性能在BESs领域, 特别是MFCs中得以应用. 本文参考了最新的文献资料, 综述了石墨烯应用于BESs的发展现状, 包括应用于MFCs的石墨烯电极、掺杂石墨烯电极、担载石墨烯电极, 对其在MECs中可能的应用, 以及未来发展趋势予以展望.     

单室固体氧化物燃料电池

单室固体氧化物燃料电池使矿物燃料和氧在同一气室中反应发电,具有无需密封、结构简单及抗热和机械性能强的特点,已经显示出作为便携式电源的良好发展前景,近几年来已成为燃料电池领域的一个研究热点.本文较详细地介绍了单室固体氧化物燃料电池的发展背景、特点、工作原理和影响单室固体氧化物燃料电池性能的众多因素,阐述了它的发展历程及最新进展,并对其前景进行了展望.     

单室固体氧化物燃料电池

单室固体氧化物燃料电池使矿物燃料和氧在同一气室中反应发电,具有无需密封、结构简单及抗热和机械性能强的特点,已经显示出作为便携式电源的良好发展前景,近几年来已成为燃料电池领域的一个研究热点.本文较详细地介绍了单室固体氧化物燃料电池的发展背景、特点、工作原理和影响单室固体氧化物燃料电池性能的众多因素,阐述了它的发展历程及最新进展,并对其前景进行了展望.     

Pt基金属间化合物及其在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的应用

质子交换膜燃料电池是一种能够将燃料的化学能直接高效地和环境友好地转化为电能的绿色能源技术。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、启动快速、零排放或者低排放等优点,被认为是后石油时代最为重要的能源替代技术之一。然而目前使用的电催化剂存在铂用量高和稳定性不足等问题。开发高性能低Pt催化剂对于降低质子交换膜燃料电池成本、促进质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用具有十分重要的意义。Pt基金属间化合物是一类具有严格元素化学计量比和规整原子排列结构的合金化合物,其氧还原反应催化活性明显优于相应的Pt基无序合金及纯Pt催化剂,被认为是最具应用前景的低Pt催化剂之一。本文着重从催化机理、制备技术、组成调控、颗粒度调控、形貌调控和晶体结构等几个方面介绍了Pt基金属间化合物催化剂近来的研究进展,以及这类催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的应用研究情况,指出了这类催化剂目前尚存在的不足及挑战,并展望了未来的研究发展思路及方向。     

先进蛋黄-蛋壳结构能源转化纳米反应器

蛋黄-蛋壳结构独特的纳米结构及特性,使其在很多领域中具有潜在的应用价值,因此近年来受到了广泛关注.本综述总结了使用蛋黄-蛋壳纳米结构作为纳米反应器的研究进展.从合成策略出发,主要强调最近五年合成蛋黄-蛋壳纳米结构的最新研究进展.通过光催化,甲烷重整和电催化等反应作为典型的反应过程,重点讨论蛋黄-蛋壳结构纳米反应器在催化领域的应用,并对该领域未来的发展进行了展望.     

微通道反应器在合成工艺改进中的应用研究进展

随着对低耗能、环保、连续化生产工艺的不断探索,微通道反应器极佳的传质传热性能、精确的反应条件控制及反应过程的安全性等优势引起了研究人员的广泛关注。本文就微通道反应器的研究进展及其在工艺参数优化、连续化合成中的应用进行综述,对反应器现存问题及解决方法进行分析,并对其未来发展进行展望。     

燃料电池电极表界面催化氧还原反应的STM研究进展

催化氧还原反应的电催化剂是燃料电池的一个重要组成部分. 从分子尺度研究催化氧还原反应中所涉及的表界面反应机理,不仅有利于深入理解催化机理,更有利于指导人们合理地设计新型的电催化剂. 本文结合近年来国内外的研究工作,概述了通过扫描隧道显微镜研究燃料电池内部催化氧还原反应过程中所涉及的表面形貌变化、单分子结构变化、中间体的观测以及反应产物调控等方面最新进展,并展望了该研究领域的发展趋势.     

先进蛋黄-蛋壳结构能源转化纳米反应器（英文）

蛋黄-蛋壳结构独特的纳米结构及特性,使其在很多领域中具有潜在的应用价值,因此近年来受到了广泛关注.本综述总结了使用蛋黄-蛋壳纳米结构作为纳米反应器的研究进展.从合成策略出发,主要强调最近五年合成蛋黄-蛋壳纳米结构的最新研究进展.通过光催化,甲烷重整和电催化等反应作为典型的反应过程,重点讨论蛋黄-蛋壳结构纳米反应器在催化领域的应用,并对该领域未来的发展进行了展望.     

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.