氮掺杂石墨炔用于氧还原反应

<正>阴极氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属-空气电池中的一个关键反应,在能源转化领域起着至关重要的作用~(1,2)。由于其较高的过电位,当前氧还原反应一般都需要使用贵金属铂(Pt)基催化剂。但其高昂的成本和较差的耐久性极大地限制了燃料电池的规模化与商业化进程3,4。从长远来看,寻找高效的非金属催化剂代替Pt是降低成本的根本途径。在非金属催化剂中,氮掺杂碳材料的氧还原     

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。     

非贵金属电催化析氧催化剂的最新进展

氢气具有环境友好、含量丰富、高能量密度等特点,是一种可以替代化石能源的绿色环保可再生能源. 电解水是制备氢气最有效途径之一. 但在电解水过程中,动力学过程非常缓慢,过电位较大的阳极析氧半反应严重限制了阴极析氢反应效率. 因此,研究高效、稳定和低成本的催化剂来降低析氧反应的过电位,从而提高析氢反应效率受到了广泛关注. 基于非贵金属催化剂本身特性及其在高浓度OH-条件下具有较高OER催化活性等原因,本文首先简要介绍碱性条件下析氧反应机理及其性能的评价方法,然后重点讨论非贵金属电催化析氧催化剂的最新研究进展. 最后对如何深入研究催化机理、设计高效、双功能及新型非贵金属电催化析氧催化剂进行了展望.     

金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展

随着能源危机加剧和生态环境恶化, 可持续发展能源受到更大的重视. 金属空气电池作为一种绿色能源是具有很大发展潜力的新一代电池. 与传统电池相比, 此类电池有着更高的理论能量密度, 尤其是锂空电池, 能量密度可达3505 Wh/kg, 然而阴极缓慢的氧还原反应成为制约其发展的关键因素之一. 在简要介绍氧还原反应机理基础上, 着重介绍了近年来氧还原催化剂如贵金属及其合金、过渡金属氧化物/硫化物、功能化碳材料和金属氮化物的研究进展, 并根据目前所存在问题指出未来研究方向, 包括深入研究氧还原反应机理, 明确催化剂活性位; 研究催化剂结构等对催化活性的影响, 优化制备条件, 以提高催化活性和稳定性; 根据氧还原机理设计开发新型氧还原催化剂.     

固体聚合物电解池析氧催化剂

在固体聚合物电解池电解水制氢过程中,阳极析氧反应是整个电化学反应的速率控制步骤。本文从固体聚合物电解池析氧催化剂的反应机理、催化剂材料以及制备方法等几个方面进行了详细分析。新的检测手段已经开始应用于原子层级的析氧反应机理研究,对析氧反应活性中间产物有了更深刻的认识;通过优化传统的制备工艺,开发新型的制备方法,进一步提高了析氧催化剂的活性或者稳定性。此外,引入高稳定性、低成本、高活性的催化载体,亦可提高催化剂的性能并相应地降低其成本。希望通过本文的综述总结,为今后阳极析氧催化剂的研究指明方向,推动固体聚合物电解池的商业化进程。     

生物质基碳材料作为氧还原反应催化剂的研究进展

燃料电池作为一种清洁能源有很大的发展前景,其阴极氧还原反应多采用铂基催化剂,但由于贵金属铂的储量稀少、价格昂贵等原因,严重阻碍了燃料电池的商业化进程。寻找高活性、高稳定性的新材料来替代阴极铂基催化剂成为燃料电池大规模商业化亟待解决的关键问题之一。研究表明,以生物质为原料的碳材料有望成为商业铂基氧还原催化剂的一种理想替代品。本文综述了这方面的研究进展,并且展望了未来的发展趋势。     

原子尺度研究固体氧化物池氧电极中氧迁移规律

固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物燃料电解池（SOEC）作为新一代的能源转化装置,凭借其清洁、高效的能源转化优势,非常具有技术吸引力。为了将SOFC和SOEC商业化,操作更加持久、高效和经济,中低温的运行温度成为当前国际上研究的主要方向,其中提高氧电极材料的氧还原反应/氧析出反应（ORR/OER）活性是研究的关键。本文主要阐述了原子尺度分子模拟分析和原位实验测试表征对混合离子电子导体氧电极材料中氧迁移规律和传输机理研究的重要作用,推进传统材料向新型氧电极材料和结构的发展;归纳和综述了近期热点的混合离子电子导体（MIEC）氧电极材料、相应的离子传输路径、各向异性结构及晶格动力学;介绍了当前采用的先进研究手段和方法,并重点介绍了原位X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子光谱（AES）探测材料的表面化学组成和结构,原位的方式可以将致密薄膜中几纳米到十几纳米的结构可视化,在原子层面上研究氧电极材料中带电缺陷的形成和迁移;并基于原子尺度的密度泛函理论（DFT）计算和近期分子动力学模拟（MD）的研究进展对传统材料和新型材料中的氧迁移机理进行解释和分析。最后,简要综述了清华大学核研院在固体氧化物池氧电极方面的研究进展。     

钙钛矿型铁酸盐氧化还原催化剂的晶格氧释放动力学研究

<正>绿色化工技术是实现化工行业可持续发展的关键~1。作为一种先进高效的低碳能源转化技术，化学链工艺在节能和减排等方面具有诸多优势~2。在化学链工艺中，氧化还原催化剂作为氧载体，实现不同反应器之间的晶格氧和热量传递。载氧体的晶格氧释放动力学是决定其反应性能的关键因素~3。ABO₃钙钛矿型复合金属氧化物由于其优良的结构循环稳定性和氧离子迁移能力，是一类具有潜在应用价值的催化材料，被广泛研究用于化学链、     

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。     

镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂用于析氢和析氧反应（英文）

开发高活性、低成本的析氢反应和析氧反应电催化剂对于能源的可持续发展至关重要。金属有机框架衍生的纳米材料已经成为一类非常有前景的非贵金属双功能电催化剂,但是目前对镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂的深入研究并不全面,其催化活性和稳定性还有待进一步提高。本文制备了一种棒状多孔碳负载镍纳米颗粒的新型电催化剂,并将其用作电催化析氢和析氧反应。实验研究结果表明该类电催化剂表现出优异的析氢和析氧反应活性和长期稳定性,在10 mA·cm~(-2)的电流密度下,析氢反应和析氧反应的过电位分别为120和350 mV。我们认为:材料可控的纳米结构和均匀分布的活性位点共同提升了复合材料的电催化性能。     

聚苯胺衍生Fe-N-C催化剂在碱性电解质中对氧还原反应的催化性能

经过热解聚苯胺、碳和FeCl₃的混合物制备的Fe-N-C材料在酸性电解质中对氧还原反应表现出高的催化活性;由于材料中不存在任何贵金属, 因而被认为是一类新型非贵金属氧还原催化剂. 然而这类催化剂在碱性电解质中催化氧还原反应的性能如何尚不清楚. 本文使用旋转圆盘电极技术考察了制备的两个Fe-N-C催化剂在KOH水溶液中催化氧还原反应性能, 发现这两个催化剂表现出比无金属的N掺杂碳材料更高的活性. 与商业Pt/C催化剂相比, 它们催化氧还原反应的起始电势和半波电势分别仅低60和40 mV左右, 计时电流测试表明, 它们比Pt/C催化剂显示出更好的稳定性. 此外, 在这两个Fe-N-C催化剂上的氧还原反应主要遵循四电子途径. 本工作显示, Fe-N-C材料有望用于碱性燃料电池氧还原反应催化剂.     

高效催化氧还原及氧析出反应的掺杂石墨炔的设计与理论计算

在清洁和可再生能源的转化过程中, 氧还原反应和氧析出反应需要高效的电催化剂以克服其动力学限制. 本文设计了一系列掺杂杂原子的无金属石墨二炔, 以促进上述两类关键化学反应.为了评估电催化性能, 利用密度泛函理论研究了反应路径和吉布斯自由能变化. 计算结果表明, 掺杂剂可以优化中间体的吸附, 降低反应的过电位. 本文还得到了将催化剂性质与催化剂结构相关联的内在描述符, 该描述符可以加速开发和筛选新型电催化剂. 研究结果可为清洁能源技术(如燃料电池、 金属空气电池和电解水等)中碳基催化剂的设计提供指导.     

导电MOFs在能源转化中的应用

可再生能源供应方案包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR)等多种反应,电催化剂对这些反应至关重要。到目前为止,已有一系列导电MOFs作为与能源相关电催化电极材料的报道。本文从提高MOFs导电能力和对产物的选择性、增强MOFs的化学稳定性及增加MOFs的反应活性位点等方面介绍了导电MOFs作为电催化剂的设计策略,重点综述了其在能源转化涉及的HER、OER、ORR以及CO2RR方面的应用,并从材料制备和应用需求角度出发, 对高性能导电MOFs材料在电催化领域所面临的挑战和前景进行了展望。     

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.     

表界面调控电催化析氧反应

开发高效绿色清洁能源已引起研究者们的广泛关注。电解水是一种大规模且可持续生产高纯氢能源技术。然而,阳极析氧反应电催化剂的高过电位和不稳定性制约了电解水技术的大规模应用,合理设计电催化剂的结构可显著优化其反应热力学和动力学,提高电解水技术的能量转换效率。表界面是电催化反应发生的主要场所,通过调控电催化剂表面的本征结构或构筑异质界面等系列表界面化学工程对电催化剂进行改性,可以有效改善材料的催化活性和稳定性。本文概述了当前表界面调控策略在电催化析氧反应中的研究进展,重点介绍了表界面调控层状双金属氢氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型化合物及合金材料的研究现状,阐述了高效稳定析氧反应电催化剂的设计思路。讨论了表界面调控策对催化剂表界面微结构和电子态的影响以及设计新型析氧反应电催化剂中面临的问题。最后,展望了表界面调控应用于析氧反应电催化剂的前景。     

分子氧为氧化剂磷钒酸盐为催化剂超深度氧化脱除柴油中的二苯并噻吩

一种“双帽Keggin型”磷钒酸盐在温和的反应条件下以分子氧为氧化剂氧化二苯并噻吩至二苯并噻吩砜的反应中表现出很高的催化活性. 用溶剂萃取或者选择吸附等方法可轻易地将反应产生的二苯并噻吩砜从油品中除去. 这提供了一种新型的分子氧为氧化剂的超深度氧化脱硫方法.     

用于电催化析氧反应电极的制备策略

随着能源枯竭和环境污染等问题的日益严重,开发清洁可再生能源及相关新型技术迫在眉睫。近年来,水分解、金属-空气电池等电化学能源储存和转换技术得到人们的广泛关注。电催化析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)是其中的一个关键反应,大量高性能的OER电催化剂不断见诸报道。除了材料本征催化活性的影响,不同的电极制备方式同样会对催化剂性能的发挥起到重要作用,越来越多的研究者致力于探索高效OER电极的设计与制备方法。本综述从方法论的角度,详细介绍了目前高效OER电极的制备策略,讨论了各类制备方式的优势和不足,总结了相关工作的最新研究进展,概述了新型电极的制备方法。最后,对电极制备策略的发展方向进行了总结与展望。     

铱基催化剂在酸性析氧反应中的研究进展

降低对化石能源依赖,实现无碳能源需要构建以可再生能源(如太阳能、风能等)为主体的能源框架.氢气是无碳能源框架下的一种较为理想的能源载体,而电解水制氢技术能够有效制备环境友好的高纯氢气.其中,质子交换膜基(PEM)电解水技术相较碱性电解技术能够实现更高的质子导电性、电解效率、响应速度以及产物气体分离能力,展现出较高的应用价值.然而,由于PEM电解技术工作环境为高腐蚀性的强酸条件,极大限制了催化材料的选择范围.同时,由于PEM电解池的阳极端析氧反应效率远远低于阴极端析氢反应,因此析氧反应作为瓶颈反应决定了PEM电解池的总体工作效率.由于其催化条件同时具有强酸性和强氧化性,目前只有铱基催化剂能够保持较长时间催化活性.二氧化铱(IrO₂)是PEM电解水技术商用析氧催化剂.然而由于铱元素在地球上储量极低(0.001 ppm),因此铱基催化剂的使用严重限制了PEM电解池的大规模应用.为发展PEM电解技术,亟需研制出高活性、高稳定性的新型低铱催化剂来替代IrO₂.本文首先总结了酸性析氧反应的催化机理,并给出了衡量材料催化性能的普适方法.其次,总结了多个课题组利用原位表征技术获得的晶化IrO₂以及无定形IrO_x在不同催化条件下的结构变化,以期了解材料的共性催化特征及影响结构变化的可能因素.再次,进一步重点描述了三类常见低铱催化剂,包括异原子掺杂IrO₂(IrO_x)基催化剂、钙钛矿型铱基催化剂及烧绿石型铱基催化剂,并尝试关联材料结构特征与催化本征性能.最后,介绍了该领域尚未解决的问题与挑战,以期在酸性析氧反应条件下进一步平衡催化材料的催化活性和催化稳定性.     

可逆氧催化性能提升的FeS2/NiS2纳米复合物的合成及其在锌空电池中的应用

当今世界环境与能源问题仍广受关注,我们所依赖的燃料电池大部分依然是不可再生的能源,如煤、石油、天然气等化石燃料,且在使用过程中产生大量的有毒有害气体,造成酸雨、温室效应等不良后果,对环境造成严重的影响.因此,寻找一种可替代化石燃料、环境友好且可再生的新能源燃料意义重大.新型高效稳定的可逆氧催化材料在可再生能源,如锌空电池的应用中具有重要作用,而这种电池是一种可再生的新型能源,对环境友好.因此,本文设计了一种具有优良的可逆氧催化性能的材料.首先通过水热法合成NiFe_2O_4前驱体,然后在管式炉中对其进行高温硫化,最后采用超声辅助液相剥离法制备了丝状界面FeS_2/NiS_2复合纳米材料.所合成的催化剂具有独特的丝状形貌和界面,因而具有优良的双功能电催化性能和可逆氧催化性能.对于氧析出反应(OER),该材料具有较低的过电势,仅需233 mV过电势即可实现析氧电流10 mA cm~(-2),该性能优于大多数报道的NiFe催化材料的性能;同时,该材料对氧还原反应(ORR)也具有很好的催化效果,其中ORR反应的起始电压为911 mV,半波电位为640 mV. OER和ORR催化活性结果表明,该材料具有优良的可逆氧催化性能,其ΔE值为0.823 V,优于贵金属催化材料.基于此,我们设计组装了液态和固态的锌空电池,并进行一系列的测试.结果表明,该系列电池在测试条件下均具有较高的开路电压和优良的充放电能力,并且在固态的锌空电池上表现出很好的可弯曲性,使其成为一种非常好的可折叠柔性固态锌空电池,具有更广泛的应用前景.这也为传统过渡金属催化材料的设计合成提供了新思路:在传统过渡金属的基础上,可通过更加新颖的合成方法使其具有独特的形貌,乃至非常好的双功能催化性和可逆氧催化性能,从而推动锌空电池的发展.另外,本文所设计的固态柔性锌空电池模型也可为相关设计应用提供参考.     

导电酞菁基金属有机框架的高效电催化研究（英文）

在满足日益增长的可持续能源和环境保护需求下,开发用于多种电化学场景的新型催化剂发挥着重要作用。导电酞菁基金属有机框架（MOFs）是一类新型的层叠多孔MOFs,具有面内扩展π共轭结构,可以通过促进传质和电子/电荷转移来增强电催化活性。导电酞菁基MOFs具有优异的导电性,使其在如水、氧、二氧化碳和氮还原等各种电催化反应中非常有前景。导电酞菁基MOFs在电化学能量转换和环境研究中表现出良好的活性。本文主要关注导电酞菁基MOFs,而非其他类型的导电MOFs,并全面概述其导电机理和主要的电催化反应,还将讨论在电催化中使用导电酞菁基MOFs作为非均相催化剂的最新进展。此外,本文将探讨与导电酞菁基MOFs在电催化中的应用的挑战和展望。