BC 1s

单原子催化剂凭借其超高的原子利用率及在某些反应中表现出的出色催化效果,被认为是最有前途的电催化剂之一,引起了研究人员的极大热情和兴趣.制备高金属含量的单原子催化剂是基础研究和实际应用的前提和关键.然而,由于原子表面自由能随着尺寸的减小而急剧增加,在制备和催化过程中,单原子催化剂的金属原子很容易聚集成团簇甚至颗粒,因此如何制备高负载量的单原子催化剂仍然是一个不小的挑战.在众多单原子催化剂中,非贵金属中铁基单原子被认为是燃料电池中的Pt催化剂的有效替代品.在燃料电池的核心反应–电化学氧还原反应中, Fe-Nx被证明是铁单原子催化剂中的主要活性中心.因此,为了获得更好的氧还原性能,提高铁单原子催化剂中Fe-Nx的含量就显得非常关键.前期已报道了一些关于制备高Fe含量的铁单原子催化剂材料的策略,例如空间限域策略和配位合成策略.其中卟啉和葡萄糖作为配位剂,双氰胺和三聚氰胺可热解成氮掺杂碳材料以捕获金属原子,形成M-Nx.同时,具有高比表面积的富氧碳载体可以通过掺杂氮来作为固定金属原子的位点.我们开发了一种简单直接的方法,通过碳辅助金属配合物热解法制备高金属含量的Fe-N4单原子催化剂,即在最佳碳化温度800°C、三聚氰胺存在下对氮掺杂多孔碳辅助分散铁邻苯二胺配合物进行热解.在该方法中,氮掺杂多孔碳是一种具有丰富氮缺陷,高表面积(1267 m2?g–1)和良好分散性的多孔生物质碳材料.邻苯二胺作为含两个氨基的二齿配体,可以很容易地与过渡金属配位,形成稳定的平面四配位络合物.此外,由于在高温条件下过渡金属的催化作用,邻苯二胺也被用作氮掺杂碳的前体.因此,氮掺杂多孔碳和邻苯二胺是合成高金属含量铁单原子催化剂的关键前驱体.通过X射线光电子能谱,大角度环形暗场扫描透射电子显微镜和X射线吸收精细结构光谱表征,发现所制备的铁单原子催化剂中铁原子以单个原子的形式锚固在碳载体上,并与碳基质的四个掺杂氮原子配位,得到Fe-N4的构型.通过调节Fe前驱体量,铁单原子催化剂中Fe的最高负载量达到7.5 wt%,在目前已经报道的铁单原子催化剂中排第四.电化学氧还原测试表明,在0.10 MKOH溶液中,随着铁含量的增加,铁单原子催化剂的氧还原性能逐渐提高.其中250Fe-SA/NPC-800样品表现出最高起始电位0.97 V和最正的半波电位0.85 V,可与市售的40%Pt/C催化剂相媲美.和已报道的铁单原子催化剂相比,由于我们制得的催化剂的比表面积较低,只有247 m2?g–1,所以制约了催化剂的性能.在混合动力学势域中,根据Koutecky-Levich方程计算得出的电子转移数约为3.6,表明250Fe-SA/NPC-800主要催化四电子转移过程,这可以归因于以Fe-N4活性中心降低了四电子过程中关键中间体的形成能垒及过程的自由能变化.此外,250Fe-SA/NPC-800展现了较高的电化学稳定性.连续工作6 h后, 250Fe-SA/NPC-800保留了超过87%的电流密度,而Pt/C表现出明显的衰减,仅保留了49%.     

空心氮掺杂碳球锚定单原子铁位点用于高效电催化氧还原反应（英文）

本研究将单原子分散的Fe-N₄位点锚定在氮掺杂空心多孔碳球上用于电催化氧还原反应,研究表明,所制备的FeSAs/HNCSs-800催化剂表现出优异的电催化氧还原性能,其起始电位为0.925 V,半波电位为0.867 V。球差电镜和同步辐射X射线吸收光谱证实了催化剂中存在高度分散的Fe-N₄单原子位点。通过密度泛函理论计算证明单原子Fe-N₄位点是氧还原反应有效的活性位点,其相邻的C缺陷可以有效调控单原子Fe的电子结构,进而提高电催化氧还原性能。     

蚕茧衍生的氮氟共掺杂碳基催化剂在碱性介质中的氧还原电催化性能的研究

本文通过水热预处理,利用热解工艺从蚕茧中成功的制备了一种高性能的掺杂碳基催化剂. 研究了制备条件及氟原子掺杂对催化剂性能的影响. 在最优化条件下制备出的氮氟共掺杂碳基催化剂具有超过1000 m²•g^-1的比表面积,N元素和F元素含量可达3.5 %及7.3 %. 在碱性条件下,所制备的催化剂具有可与商业铂碳催化剂相媲美的氧还原催化活性,同时展示出优异的抗甲醇中毒性能及稳定性. F原子的掺杂对催化剂性能的提高效果显著.     

纳米催化剂的理性设计与精准调控

纳米催化在现代化学工业中起着至关重要的作用.当前社会的高速发展,促使人们在不同领域探索新型纳米催化剂引导技术革命以解决日益严峻的能源及环境危机.要实现在原子水平上精确调控并对催化剂结构进行设计以开发高效的纳米催化剂,必须深入了解其中的基本物理化学理论,如活性中心的配位结构以及催化剂与吸附质之间的作用规律等.然而,受当前表征技术和理论化学及合成方法学的限制,从复杂的纳米催化体系中剥离出真正的活性位并对其进行精确定向合成还面临极大的挑战.本文总结了影响纳米催化的因素,并重点阐述了开发电催化和光催化及热催化纳米催化剂中涉及的合成策略.在电催化反应体系中,围绕电解水和氢燃料电池以及CO₂电还原催化剂的开发策略进行了阐述.为缓解当前商用析氢和析氧催化剂对贵金属的依赖,本课题组基于具有核壳结构的金属-有机聚合物前体开发了一种热解策略,分别制备了多孔氮掺杂碳材料包覆的CoP/NCNHP和MoP@NCHSs电解水催化剂.得益于多孔碳材料暴露的高活性位数量及氮物种与活性金属之间的强协同作用,该类催化剂在催化酸性析氢反应(HER)和碱性HER以及析氧反应(OER)中表现出高效的活性和稳定性.此外,本文介绍了一种可以极大提高金属利用效率的Pt₃Ni纳米框架催化剂.该框架结构呈现独特的Pt表面富集特征,不仅最大限度地暴露了高活性的棱/角位点,还有利于分子在框架内部的扩散传质,这种独特的结构使其在氧还原反应(ORR)中表现出较好的催化活性.针对电催化CO₂还原,本文重点阐述了氮配位策略在单原子催化中的应用,并针对单原子在催化多分子转化时面临的挑战,发展了一种“原子对”催化剂.在光催化反应体系中,为促进光生电子-空穴对的分离并抑制其复合,本课题组报道了一种具备快速可逆光致变色能力的Bi₂WO_6-x纳米片.与传统光致变色材料不同,Bi₂WO_6-x纳米片在光照及O₂的作用下可以实现光生电子的快速利用及空穴的消耗,使光生载流子分离得到显著而持续的增强;此外,通过比较载流子在不同晶面的动力学差异,本课题组还揭示了少数载流子动力学对光催化反应活性的影响规律,实现了温和条件下光催化高效碳氢键活化.在多相催化反应体系中,总结了一系列控制金属原子聚集状态的制备策略.针对工业上重要的硅烷氧化和苯氧化以及N-甲酰化反应,重点阐述了氮配位及MXene缺陷稳定策略在制备单原子Au₁/mpg-C₃N₄、Fe-N₄以及Pt₁/Ti_3-xC₂T_y催化剂中的应用及反应活性位点的调控研究.     

掺杂位点与缺陷,谁是金属单原子在碳材料中的锚固位点及氧还原的活性中心?（英文）

为了改善燃料电池阴极氧还原反应缓滞的动力学特征,高效的催化剂亟待被开发.金属单原子催化剂能够提高金属的利用率,降低催化剂的成本,很好地平衡了性能和价格的关系,从而使其作为燃料电池阴极催化剂具有广泛的应用前景.最近有两篇优秀的工作报道了关于金属单原子催化剂在氧还原反应中的应用.其中一篇是Liu等制备了铂单原子负载于氮掺杂的碳黑,这种催化剂表现出了很好的氧还原催化活性.通过完整的实验与理论研究,证明了铂单原子被吡啶氮锚固的结构是催化氧还原反应的活性中心.在该工作的对比样品中,我们注意到铂负载于没有进行氮掺杂的碳黑上,依旧有相当大数量的铂单原子存在,该催化剂亦表现出了较好的催化活性.考虑到碳黑本身存在有大量的缺陷,且氮的掺杂提高了碳黑中的缺陷数量,这是更多的单原子铂存在于氮掺杂的碳黑上的根本原因.因此,不只氮掺杂位点能够锚固铂单原子,碳黑中存在的其他缺陷也很可能具有类似作用,这些因素的共同作用导致了最终的较高氧还原催化活性.另外一篇报道也印证了此观点.Chung等使用低压球差矫正扫描透射电子显微镜直接探测到了氧还原的催化活性位:铁与四个氮配位结构(Fe N4).他们通过高角环形暗场像观察到铁单原子,配合电子能量损失谱检测到氮元素只存在于铁单原子周围,通过多次实验取平均,证明了Fe N4结构的存在.但该报道明确说明了大量的铁单原子事实上存在于暴露的边缘和褶皱阶梯处,而这些位置很容易被电子束损伤,即便是先进的低压球差电镜也难以观察到.虽然利用其它多种间接的表征手段佐证了Fe N4结构的存在,但这并不能排除其它可能性.众所周知,边缘和阶梯处存在着大量的缺陷,如空位、位错等.因此,不只是氮掺杂位,多种缺陷都可能是铁单原子的真正锚固位点,并最终对氧还原反应起到协同催化作用.充分阐明碳基单原子氧还原催化剂催化活性位的本质有助于高效的、成本低廉的燃料电池阴极材料的优化设计.总的来说,不只氮掺杂位点,其他多种缺陷如空位、位错等也很可能在锚固金属单原子中起作用且最终有利于氧还原反应顺利进行.合理的对碳材料进行缺陷设计很可能是制备高效碳基金属单原子催化剂的最优方案.     

自组装合成Fe-N-C-PANI有序介孔结构催化剂及其在酸性条件下的氧还原活性

采用乙醇挥发自组装法,以F127为模版,甲阶酚醛树脂为碳源,聚苯胺为配体,加入硝酸铁和硅酸盐,制备了有序多级孔的Fe-N-C-PANI催化剂.催化剂的成分和形貌表征结果表明,在热处理温度为800℃时,有序介孔的结构最清晰,拥有整齐的孔道和最高的比表面积（1007 m²/g）;XPS分析结果表明,吡啶氮原子和石墨氮原子含量（摩尔分数）为3.86%.热处理温度升高过程中Fe（Ⅲ）被还原,向单质Fe转化,并促进了N的掺杂,使碳化铁转化为Fe-N_x活性位点,提高了催化剂的氧还原反应（ORR）催化活性,热处理温度达到900℃时,过多的单质铁使其氧还原活性下降.在酸性溶液中,Fe-N-C-PANI-800催化剂的起始电位可达0.89 V,半波电势为0.81 V.有序介孔结构使催化剂更易石墨化,提高了材料的稳定性.     

铜铂双单原子负载晶化氮化碳及其增强光催化CO2还原性能

铂单原子作为一种新型催化剂,具有活性组分高度分散、配位未饱和以及原子利用率高等特点,在光催化还原CO₂方面表现出巨大潜力.但是由于成本高昂和负载量高等因素,极大地限制了其在实际生产中的广泛应用.合成具有低负载量贵金属铂,同时提高铂基单原子催化剂的催化活性仍然是一项巨大挑战.晶化石墨相氮化碳的二维结构,特别是其稳定晶化结构所形成的限域环境及其可扩展的π共轭单元,可以有效锚定金属单原子,因而可作为金属单原子的良好载体.已有的金属单原子载体氮化碳多为弱晶或非晶结构,基于晶化氮化碳的高结晶度和高结构稳定性,合理构建金属单原子沉积的结晶石墨相氮化碳体系仍十分困难.关于晶化氮化碳负载金属单原子催化剂应用于光催化还原CO₂的研究至今鲜有报道.本文开发了一种具有低负载量的铂基双单原子锚定晶化氮化碳的制备方法,通过设计氮化碳缺陷位点,在晶化石墨相氮化碳载体表面构筑氮缺陷位点,利用载体的丰富氮缺陷作为陷阱,有效捕获双单原子金属前驱体,成功制备了具有低负载量(铂为0.32wt%)的双金属铜铂单原子催化剂,并用于光催化CO₂还原反应中.结果表明,相比于单原子铂催化剂和单原子铜催化剂,该种双单原子铜铂体系在光催化还原CO₂-CO中表现了更好催化活性.在光照3.5 h后,铜铂双单原子体系的CO产量达到41.1μmolg^-1.除此之外,铜铂双单原子体系在光催化过程中有利于促进CH₄生成,在没有任何牺牲剂或共催化剂作用下其CH4的产量为9.8μmolg^-1,其产率分别是相同光照条件下单原子铂催化剂(3.2μmolg^-1)和单原子铜催化剂(2.0μmol g^-1)的三倍和五倍.高分辨透射电镜结果表明,制备的氮化碳呈现了高度晶化的结构.球差扫描透射电子显微镜结果表明,铂和铜物种分别以高度分散的单原子形式存在,且在双金属铜铂单原子体系并未发现铜颗粒和铂颗粒.电化学分析结果表明,通过双配位活性位点的桥梁作用提高光生电子的转移效率,使得铜铂双单原子体系具有更高的电流密度和更好的载流子传输能力.原位X射线光电子能谱结果表明,金属铂和铜单原子成功负载在晶化石墨相氮化碳上,且在光照过程中单原子铂和铜的结合能的电子密度有些许改变,证明了该双金属单原子体系在光催化过程中协同动态光电子的迁移转移;原位红外傅里叶变换光谱实验结果表明,这种稳定的铜铂双单原子体系有利于促进催化还原反应中中间体产物的加氢过程,对终产物的解离和释放有明显的促进作用,从而提高光催化还原CO₂反应的活性和选择性.     

S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型,S原子对FeN₄活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN₄活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性.S原子掺杂提高氧还原性能的机理为：（1）S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;（2）S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;（3）体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN₄位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路.     

微量热法研究燃料电池PtRu/C催化剂的CO微分吸附热

用微量热法技术测量CO的微分吸附热以探测碳负载的单金属Pt,Ru及双金属Pt-Ru催化剂的CO表面吸附位.结果表明,单金属Pt催化剂显示出最高的初始微分吸附热(q_initial=125 kJ·mol^-1);单金属Ru催化剂具有最低的初始微分吸附热(q_initial=109 kJ·mol^-1);三种双金属PtRu催化剂的初始微分吸附热(q_initial=124～112 kJ·mol^-1)界于两种单金属之间.当双金属PtRu催化剂Pt:Ru原子比为1:2时,催化剂Pt原子表面上的强CO吸附位(> 112 kJ·mol^-1)被Ru原子所覆盖而完全消失.     

原子分散Ru-P-Ru催化剂的制备及其在多类加氢中的高效应用（英文）

单原子催化剂以最大化的金属原子利用率和较好的选择性,成为近年来催化研究领域的热点,但在选择性加氢应用中常常由于缺电子的金属中心对底物/氢气的活化能力较弱导致其催化活性较低.因此,如何保持最大原子利用率和高选择性的同时,进一步提高活性对于升级单原子催化剂具有重要意义.本文通过浸渍-再分散策略,制备出原子分散的Ru-P-Ru催化剂.球差扫描透射电镜、X射线吸收精细结构谱等表征和理论计算结果表明,其金属活性位点为P桥连的Ru-P-Ru结构.制备了不同还原温度的对照催化剂,结合X射线光电子能谱(XPS)和原位程序升温还原联用质谱(H₂-TPR-MS)对催化剂的形成过程进行了详细研究.XPS结果表明,随着还原温度的升高, P掺杂介孔碳表面的高氧化态P物种被还原为具有强配位能力的C-P物种,为金属的再分散提供了合适的配位环境,同时, H₂-TPR-MS检测到载体表面部分P物种被还原为具有强Lewis碱性的PH₃, PH₃与金属原子通过强Lewis酸碱相互作用可促进金属的再分散形成Ru-P-Ru结构.在邻苯二甲酸...     

Atomically Dispersed FeN2P2 Motif with High Activity and Stability for Oxygen Reduction Reaction Over the Entire pH Range

The past decade has witnessed the great potential of Fe-based single-atom electrocatalysis in catalyzing oxygen reduction reaction (ORR). However, it remains a grand challenge to substantially improve their intrinsic activity and long-term stability in acidic electrolytes. Herein, we report a facile chemical vapor deposition strategy, by which high-density Fe atoms (3.97 wt%) are coordinated with square-planar para-positioned nitrogen and phosphorus atoms in a hierarchical carbon framework. The as-crafted atomically dispersed Fe catalyst (denoted Fe-SA/PNC) manifests an outstanding activity towards ORR over the entire pH range. Specifically, the half-wave potential of 0.92 V, 0.83 V, and 0.86 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE) are attained in alkaline, neutral, and acidic electrolytes, respectively, representing the high performance among reported catalysts to date. Furthermore, after 30,000 durability cycles, the Fe-SA/PNC remains to be stable with no visible performance decay when tested in 0.1 M KOH and 0.5 M H₂SO₄, and only a minor negative shift of 40 mV detected in 0.1 M HClO₄, significantly outperforming commercial Pt/C counterpart. The coordination motif of Fe-SA/PNC is validated by density functional theory (DFT) calculations. This work provides atomic-level insight into improving the activity and stability of non-noble metal ORR catalysts, opening up an avenue to craft the desired single-atom electrocatalysts.     

高分散钴氮共掺杂碳纳米纤维氧还原催化剂

过渡金属氮掺杂碳基催化剂已成为替代铂基氧还原反应(ORR)电催化剂的理想选择。本文通过静电纺丝技术制备了高比表面、高度分散的钴原子配位氮掺杂的碳纳米纤维催化剂(Co-N/C)。X射线衍射(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果证实Co元素高度分散于制备的Co-N/C催化剂中。X射线光电子能谱结果表明N元素主要以吡啶N和石墨N形式存在。该Co-N/C催化剂对ORR反应呈现出较高的电催化活性,其氧还原起始和半波电位分别为0.92 V和0.80 V(相对于标准氢电极),接近于商业化Pt/C催化剂的性能。以制备的Co-N/C催化剂作为阴极,25℃下锌空气燃料电池的开路电位1.54 V、最大功率密度达到了190 m V·cm~(-2)表明该催化剂具有良好的应用前景。     

Full Metal Species Quantification of Metal Supported Catalysts Through Massive TEM Images Recognition

For a practical high-loading single-atom catalyst, it is prone to forming diverse metal species owing to either the synthesis inhomogeneity or the reaction induced aggregation. The diversity of this metal species challenges the discerning about the contributions of specific metal species to the catalytic performance, and thus hampers the rational catalyst design. In this paper, a distinct solution of dispersion analysis based on transmission electron microscopy imaging specialized for metal-supported catalysts has been proposed in the capability of full-metal-species quantification(FMSQ) from single atoms to nanoparticles, including dispersion densities, shape geometry, and crystallographic surface exposure. This solution integrates two image-recognition algorithms including the electron microscopy-based atom recognition statistics (EMARS) for single atoms and U-Net type deep learning network for nanoparticles in different shapes. When applied to the C₃N₄- and nitrogen-doped carbon-supported catalysts, the FMSQ method successfully identifies the specific activity contributions of Au single atoms and particles in butadiene hydrogenation, which presents remarkable variation with the metal species constitution. This work demonstrates a promising value of our FMSQ strategy for identifying the activity origin of heterogeneous catalysis.     

Engineering d-band center of nickel in nickel@nitrogen-doped carbon nanotubes array for electrochemical reduction of CO2 to CO and Zn-CO2 batteries

Self-supported transition-metal single-atom catalysts (SACs) facilitate the industrialization of electrochemical CO₂ reduction, but suffer from high structural heterogeneity with limited catalytic selectivity. Here we present a facile and scalable approach for the synthesis of self-supported nickel@nitrogen-doped carbon nanotubes grown on carbon nanofiber membrane (Ni@NCNTs/CFM), where the Ni single atoms and nanoparticles (NPs) are anchored on the wall and inside of nitrogen-doped carbon nanotubes, respectively. The side effect of Ni NPs was further effectively inhibited by alloying Ni with Cu atoms to alter their d-band center, which is theoretically predicted and experimentally proved. The optimal catalyst Ni₉Cu₁@NCNTs/CFM exhibits an ultrahigh CO Faradic efficiency over 97% at ?0.7 V versus reversible hydrogen electrode. Additionally, this catalyst shows excellent mechanical strength which can be directly used as a self-supporting catalyst for Zn-CO₂ battery with a peak power density of ～0.65 mW/cm² at 2.25 mA/cm² and a long-term stability for 150 cycles. This work opens up a general avenue to facilely prepare self-supported SACs with unitary single-atom site for CO₂ utilization.     

Constructing Fe-N4 Sites through Anion Exchange-mediated Transformation of Fe Coordination Environments in Hierarchical Carbon Support for Efficient Oxygen Reduction

Metal single atoms (SAs) anchored in carbon support via coordinating with N atoms are efficient active sites to oxygen reduction reaction (ORR). However, rational design of single atom catalysts with highly exposed active sites is challenging and urgently desirable. Herein, an anion exchange strategy is presented to fabricate Fe-N₄ moieties anchored in hierarchical carbon nanoplates composed of hollow carbon spheres (Fe-SA/N-HCS). With the coordinating O atoms are substituted by N atoms, Fe SAs with Fe-O₄ configuration are transformed into the ones with Fe-N₄ configuration during the thermal activation process. Insights into the evolution of central atoms demonstrate that the SAs with specific coordination environment can be obtained by modulating in situ anion exchange process. The strategy produces a large quantity of electrochemical accessible site and high utilization rate of Fe-N₄. Fe-SA/N-HCS shows excellent ORR electrocatalytic performance with half-wave potential of 0.91 V (vs. RHE) in 0.1 M KOH, and outstanding performance when used in rechargeable aqueous and flexible Zn-air batteries. The evolution pathway for SAs demonstrated in this work offers a novel strategy to design SACs with various coordination environment and enhanced electrocatalytic activity.     

吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能

采用温度控制的浸渍-热解法, 合成了以碳纳米管为载体的一系列铜单原子催化剂. 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析表明, 催化剂中的单原子铜位点分别由吡啶氮和吡咯氮配位. 电催化性能测试表明, 所制备催化剂可用于电催化二氧化碳生成一氧化碳, 由吡啶氮配位的铜单原子催化剂的反应选择性较差, 而由吡咯氮配位的铜单原子催化剂则具有更强的活性, CO法拉第效率在-0.70 V(vs. RHE)时可达到96.3%; 吡咯氮配位的铜单原子中心对于析氢反应具有更好的抑制效果.     

Well-dispersed high-loading pt nanoparticles supported by shell-core nanostructured carbon for methanol electrooxidation

Shell-core nanostructured carbon materials with a nitrogen-doped graphitic layer as a shell and pristine carbon black particle as a core were synthesized by carbonizing the hybrid materials containing in situ polymerized aniline onto carbon black. In an N-doped carbon layer, the nitrogen atoms substitute carbon atoms at the edge and interior of the graphene structure to form pyridinic N and quaternary N structures, respectively. As a result, the carbon structure becomes more compact, showing curvatures and disorder in the graphene stacking. In comparison with nondoped carbon, the N-doped one was proved to be a suitable supporting material to synthesize high-loading Pt catalysts (up to 60 wt %) with a more uniform size distribution and stronger metal-support interactions due to its high electrochemically accessible surface area, richness of disorder and defects, and high electron density. Moreover, the more rapid charge-transfer rates over the N-doped carbon material are evidenced by the high crystallinity of the graphitic shell layer with nitrogen doping as well as the low charge-transfer resistance at the electrolyte/electrode interface. Beneficial roles of nitrogen doping can be found to enhance the CO tolerance of Pt catalysts. Accordingly, an improved performance in methanol oxidation was achieved on a high-loading Pt catalyst supported by N-doped carbon. The enhanced catalytic properties were extensively discussed based on mass activity (Pt utilization) and intrinsic activity (charge-transfer rate). Therefore, N-doped carbon layers present many advantages over nondoped ones and would emerge as an interesting supporting carbon material for fuel cell electrocatalysts.     

氮掺杂还原氧化石墨烯/四氧化三钴双功能催化剂的制备及表征

采用尿素作为氮源,通过热退火法制备氮掺杂还原氧化石墨烯,然后以乙酰丙酮钴作为钴源通过水热法制备氮掺杂还原氧化石墨烯/四氧化三钴杂化纳米片作为催化氧还原和氧析出反应的双功能催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线电子能谱仪(XPS)等对其进行形貌结构表征,通过旋转圆盘电极等电化学测试对其电催化性能进行分析,可以看出该催化剂具有良好的氧还原和氧析出催化性能。     

A Nitrogen,Sulfur co-Doped Porphyrin-based Covalent Organic Framework as an Efficient Catalyst for Oxygen Reduction

Oxygen reduction reaction(ORR) is a significant reaction for energy conversion systems(such as fuel cells, metal-air batteries, etc.). It is an urgent need to develop cheap, durable and highly-active catalysts for efficient ORR. Hence, we report a metal-free nitrogen and sulfur co-doped porphyrin-based covalent organic framework(COF) as a high-efficiency ORR catalyst[the onset potential(E_o) is 0.79 V and the half-wave potential(E_1/2) is 0.70 V]. The double doping of N and S atoms causes uneven charge distribution around carbon atoms, which can act as catalytic active centers, improving ORR activity. Compared with single-atom doping, double atoms doping exhibits a higher activity due to the synergistic effect between different elements. These results demonstrate that reasonable design of stable metal-free COFs with a high electrochemical activity can promote their wide applications.     

Cu分隔开的Pd单原子用于乙炔选择加氢:Cu担载量的影响

大量乙烯中少量乙炔的去除是化工生产中的重要过程之一,理想途径是将其选择加氢生成乙烯.负载型Pd催化剂因具有很高的乙炔转化率而被广泛用于该过程,但乙烯选择性很低,同时会使原料气中的乙烯被加氢,造成原料气的浪费.采用其它元素对Pd纳米粒子表面修饰,覆盖部分活性位,可以在一定程度上提高乙烯选择性,但是会大大降低Pd的利用率.因此,制备兼具高活性和高选择性且经济实用的催化剂,仍是这一过程亟待解决的主要问题之一.我们的前期工作中,将Pd与IB族金属(Au,Ag,Cu)分别结合制备得到了一系列含Pd的合金单原子催化剂(SAC),发现它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.其中,Pd的用量仅为ppm级别,大大提高了Pd的利用率.作为IB族最为廉价的金属,Pd与Cu形成的合金SAC在提高Pd原子利用率的同时,能够进一步降低催化剂的经济成本.然而,当形成合金SAC时,Cu/Pd原子比例的极限值仍然不确定.本文通过固定Pd的担载量,采用简单的等体积共浸渍的方法,制备了一系列不同Cu/Pd原子比例的氧化硅负载的双金属催化剂.首先,我们采用程序升温还原(TPR)和X射线衍射(XRD)对催化剂的还原能力和双金属纳米粒子的尺寸进行了考察.进一步,采用X射线吸收光谱(XAS,包括EXAFS和XANES)对双金属催化剂中Pd的配位环境进行了分析.最后,结合它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中的催化性能,对形成合金SAC时Cu/Pd原子比例进行了讨论.TPR结果显示,Cu与Pd结合时会促进双金属纳米粒子的还原.XRD结果表明,随着Cu含量的降低,双金属纳米粒子的尺寸明显减小.XANES结果证实,当Pd与Cu结合时,Pd会带有部分负电荷,这也与Pd的电负性大于Cu相一致.通过对EXAFS拟合结果进行分析,我们发现当Cu/Pd的原子比例≥40/1时,Pd原子可以被Cu原子完全分隔开,形成含Pd的合金SAC,使其在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.通过对还原温度的考察,我们发现还原温度由250 oC升高到400 oC时,对同一催化剂的催化性能影响不大;EXAFS拟合结果显示,对比分别经过250和400 oC还原后的催化剂,Pd的配位环境变化不明显,这可能是导致催化性能相似的主要原因.