高稳定二维联咔唑sp2碳共轭共价有机框架材料用于高效电催化氧还原

化石燃料的过度消耗和环境污染已成为全球面临的主要问题,如何合理开发利用新能源成为我国能源战略中的主要目标.新型能量转换技术是促进新能源发展的关键.目前,以金属-空气电池、燃料电池等为主导的新型清洁电化学能量转换技术在转换效率、经济性等方面均取得了重大突破,极具产业化应用前景.开发高效、稳定、低成本的电化学催化剂是促进清洁能转换装置发展的关键.在此,报道了一种基于联咔唑构筑单元合成的高稳定sp²键型的共价有机框架材料(JUC-557)用于燃料电池阴极氧还原反应(ORR).该材料具有高比表面积、高稳定性等优点,同时也表现出高效的ORR催化性能和组装锌-空电池的应用潜力.此外,该材料相比于贵金属催化剂,也具有低成本、低污染、结构明确、原子和结构精度可控等优势.本研究为构建异质原子高效非金属电催化剂提供了一种新思路.     

石墨炔界面:从微观到宏观电极优化策略

石墨炔是新兴的二维碳同素异形体,其独特的结构和性质已经为绿色能源、绿色化学、生物医药、智能电子等领域带来诸多原创的理念.在电化学能源领域,石墨块已经逐渐发展成为该领域中具有巨大发展潜力的关键材料之一,为解决电化学能源领域的诸多关键问题提供了新的思路.本文系统总结了利用石墨炔优异本征性质,解决目前电化学能源器件的瓶颈问题...     

原子层沉积方法在设计制备高效电催化剂中的应用（英文）

人类对不可再生化石能源的依赖导致了全球范围内的能源危机和环境污染.电化学能源转换技术由于具有清洁、高效、原料来源广泛及可再生等优点而受到广泛关注.电催化剂能加快反应动力学,提高目标产物选择性,在电化学能源转换技术中起着至关重要的作用.目前, Pt是多数重要的电化学反应(如电解水、氧还原以及一些小分子醇类和酸类的氧化反应)中使用最多和最有效的催化剂之一.然而Pt催化剂面临着价格昂贵、易中毒、易流失等问题,使其在大规模工业化应用中受到限制.为了提高Pt催化剂的利用率和稳定性,研究人员进行了大量工作.例如,制备尺寸小的Pt纳米颗粒,增加单位质量Pt表面积和Pt利用率;在Pt催化剂中加入Ru或Pd等其它金属,促进醇类和酸类氧化反应中间产物的氧化,减缓Pt中毒;选用抗腐蚀性能好的载体,增加Pt与载体间相互作用,从而抑制Pt颗粒在高电位、高湿度、高酸碱度电化学工作环境中的脱落和聚集.尽管如此,利用传统的方法仍然很难精确调控电催化剂的组成、尺寸和纳米结构,无法最大程度提高贵金属Pt的利用效率.原子层沉积(ALD)技术可在原子尺度控制物质生长,既能在多孔、复杂基体上沉积尺度均一的纳米薄膜或颗粒,也能精确调控、构筑各类纳米结构.本文总结了近年来利用ALD技术制备高性能电催化剂的代表性研究进展.文章首先介绍了ALD反应机理、载体表面官能团对ALD生长的促进作用以及ALD制备方法对催化剂金属-载体相互作用的影响等基本原理和知识.总结了利用ALD技术制备高活性Pt催化剂的各种方法,包括制备超细纳米颗粒,纳米线、纳米薄膜、纳米管,纳米3D结构等不同形貌Pt催化剂等.介绍并探讨了利用ALD构筑纳米陷阱、包覆超薄多孔碳膜/氧化物膜、选择性修饰载体等提高Pt催化剂稳定性的策略.文章还介绍了如何通过调节ALD反应温度、前驱体种类,以及利用选择性沉积等方法,精确调控双贵金属电催化剂中金属的比例、尺寸、结构等以提高催化剂性能,并重点阐述了双金属核壳催化剂的制备方法.此外,文章还概述了ALD方法制备非贵金属催化剂的研究进展.最后,文章总结了ALD技术在设计、制备电催化剂领域的优势和不足,展望了ALD在该领域的发展和应用前景,为设计、制备高性能电催化剂提供了参考.     

单原子催化剂在电化学合成氨中的理论研究进展

传统Haber-Bosch工艺合成氨需要大量的能源消耗和复杂的工厂基础设备。在可再生能源的推动下,将氮气电化学还原为氨被认为是替代Haber-Bosch工艺最有效的方法,这在科学界引起了极大的关注。然而,这个过程受到氨产量和法拉第效率低的影响,因此开发更有效的电催化剂对其实际应用至关重要。在之前报告的催化剂中,单原子催化剂（SACs）在高效利用原子和不饱和配位方面表现出显著优势,这为优化催化剂性能提供了巨大的空间。文章综述了单原子催化剂在电化学合成氨中的理论研究,详细分析了贵金属催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂这3类单原子催化剂的性能表现,旨在为电化学合成氨技术的发展提供理论参考。     

电化学表面增强拉曼光谱—现状和展望

许多和能源、生命相关的过程都强烈依赖于电化学荷电界面的结构和性能.自从表面增强拉曼光谱效应发现后,就很快地被应用于电化学界面的原位研究,即从分子水平上深入表征各种表面(或界面)的结构和过程,如鉴别物种在表面的键合、构型和取向等.最近十年,纳米科技的飞速发展为SERS技术提供了丰富的基底以及检测和表征方法,从而推动了与纳米科学密切相关的电化学SERS领域令人瞩目的发展.本文系统介绍Au和Ag的SERS、过渡金属薄层SERS、纯过渡金属SERS、核壳结构SERS和已经可以应用于单晶表面研究的gap-modeSERS、TERS和SHINERS,其中穿插着介绍电化学SERS的历史发展、现状和存在的问题及其展望,为电化学SERS研究提供较为全面的详细的参考.     

脉冲电催化的研究进展及性能强化机制

基于电催化的能源转化、化学品合成及污染物降解技术是解决能源与环境问题的重要方式. 一些研究已经证明, 通过简单地施加周期性切换电位的脉冲供电策略, 将会有效提升电催化性能. 本文对脉冲供电策略在电化学高级氧化、电化学二氧化碳还原、有机电合成、电解水制氢等经典电化学体系中的应用及研究进展进行了综述, 并具体分析了其对各类电催化反应性能的强化机制, 这些机制主要包括: 通过周期性更新能斯特扩散层的物质浓度以增强催化活性; 通过动态调控中间体吸附能以提高催化选择性; 通过维持催化剂表面处于非平衡状态, 避免催化剂失活以提高催化剂的稳定性. 最后, 本文展望了脉冲电催化未来所面临的机遇与挑战.     

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO2单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进行讨论:(1)单一助催化剂,包括金属/合金、金属氧化物/氢氧化物、金属磷化物、金属硫化物、碳基材料等助催化剂材料;(2)双助催化剂;(3)Z-Scheme助催化剂;(4)MOFs助催化剂.近年来,助催化剂材料在光催化产氢中应用的发展趋势从当初价格昂贵的贵金属趋于价格相对低廉的非贵金属,从单一体系趋于更复杂的体系.虽然现阶段关于助催化剂与基底之间的匹配还需要进一步研究,但我们相信随着技术的发展,这些问题都可以迎刃而解.希望在不久的将来,可以精确设计和构建出具有高效光催化产氢活性的催化剂体系,开发出更多新的可再生清洁能源,从而缓解能源紧缺和环境恶化等棘手问题.     

单原子催化剂的合成及其能源电催化应用的研究进展

基于电化学反应的能源储存与转化技术为全球能源结构的转型提供了一条绿色、 可持续的途径, 高效的电催化剂在其中扮演着重要的角色. 得益于在物理、 化学性质上的独特优势, 单原子催化剂在电催化能源转化方面展现出巨大的应用前景. 本文综合评述了单原子催化剂的合成及其能源电催化应用的研究进展, 介绍了单原子催化剂的常见表征手段, 总结了单原子催化剂的合成方法(湿化学法、 高温热解法、 原子沉积法、 电化学沉积法等), 并介绍了该类材料在氧还原、 二氧化碳电还原、 电解水及氮气电还原反应中的研究进展, 重点探讨了催化剂微观结构与其性能之间的关系, 最后, 对单原子能源电催化领域所面临的挑战进行了总结, 并对该领域未来的发展方向进行了展望.     

三元合金氧还原电催化剂

质子交换膜燃料电池作为重要的电化学能源转换装置,在提高能量转换效率、减少环境污染等方面具有诱人的前景.然而,阴极氧还原过电位较大、活性较低、稳定性差,且铂基催化剂昂贵,使该燃料电池难以商业化.纳米结构电催化剂的发展有望解决此难题。对纳米合金电催化剂其组分和结构的设计是开发高活性、高稳定性和低成本的燃料电池电催化剂的重要因素.本文综述了近期由分子设计和热化学控制处理法制备的三元纳米合金电催化剂对燃料电池氧还原反应催化性能的最新进展.该方法可控制纳米合金的尺寸、组成以及二元和三元纳米催化剂的合金化程度.以高活性的三元纳米合金催化剂PtNiCo/C为例,综述了在设计燃料电池电催化剂时结构和组成的纳米级调优的重要性.PtNiCo/C电催化剂的质量比活性远高于其二元合金催化剂和Pt/C商业电催化剂.三元电催化剂的催化活性可通过控制其组成来调节.文章还讨论了三元纳米合金催化剂的结构及其协同效应对增强其电催化性能的影响.     

《碳纳米材料电化学》专辑序言 ——方兴未艾的电化学能量转换和存储先进材料和技术

可以预见,在相当一段时期内,能源和环境将是全球发展的两大主题. 其实,人类对能源的获取方式将对地球的生态环境和人类未来的生存状态和生活方式产生重要影响. 正因为如此,世界各国正在大力发展可再生能源和清洁能源. 电化学能源是将化学能高效转变为电能的一种能量转换方式,它历史悠久,但不断被改进和创新,尤其是近年来得到了较快的发展. 目前,电化学能源转换和存储器件主要包括一次电池（如锌锰电池等）、二次电池（如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等）、燃料电池、金属-空气电池以及超级电容器等. 电化学能源和其它可再生能源相互补充、交叉利用将是未来清洁能源的主要发展方向.     

负载型Cu/Al2O3和Cu/ZnO催化剂上CO2加氢的原位FTIR及准原位XPS/HS-LEIS研究

铜基催化剂是工业合成甲醇中常用的催化剂,其主要包含Cu,ZnO,Al₂O₃三种组分,研究各组分在催化合成甲醇过程中的本质作用及其相互间的协同作用不仅是一个催化基础科学问题,同时对于设计和合成新型高性能的铜基催化剂也有重要指导作用.以往的研究主要针对Cu和ZnO二元组分,关于Al₂O₃的作用很少有报道,主要观点认为Al₂O₃起结构助剂的作用.在Cu/Al₂O₃/ZnO(0001)-Zn模型催化体系的研究中,我们发现Al₂O₃具有稳定Cu⁺的能力.为了更接近于实际催化体系,并进一步探索铜基催化剂中载体Al₂O₃及ZnO的作用,我们制备了负载型的5 wt%Cu/Al₂O₃及5 wt%Cu/ZnO催化剂,并通过原位傅里叶变换红外光谱(in situ FTIR)、准原位X射线光电子能谱(ex situ XPS)及高灵敏度低能离子散射谱(HS-LEIS),着重考察H₂还原及CO₂加氢过程中表面吸附物种的转变及催化剂表面结构变化,更深一步理解Cu,ZnO,Al₂O₃三组分在催化CO₂加氢过程中所起的作用及相互间的协同作用.通过XRD,BET和TEM表征,发现采用浸渍负载法制备的、经过焙烧后的5 wt%Cu/Al₂O₃及5 wt%Cu/ZnO催化剂的结构和形貌有明显差别,Al₂O₃载体具有较大的比表面积,CuO在其表面分散性较好,而ZnO的比表面积很小、CuO颗粒也相对较大.Ex situ XPS及HS-LEIS显示,经过H2还原后,Cu在Al₂O₃表面的颗粒粒径略有增大,表面仍有较大比例的Cu⁺物种.以CO为探针分子的FTIR光谱也表明,H2还原后5 wt%Cu/Al₂O₃存在一定量的Cu⁺,而5 wt%Cu/ZnO催化剂还原后形成Cu纳米粒子表面被ZnOx包覆,ex situ XPS及HS-LEIS的深度剖析也证实了上述结果.CO₂加氢过程中,5 wt%Cu/Al₂O₃表面能够形成大量碳酸氢盐及碳酸盐物种并在升温过程中逐渐转变为甲酸盐,表面仍有一定量的Cu⁺;5 wt%Cu/ZnO表面形成的碳酸盐及碳酸氢盐物种含量相对较少,但Cu-ZnOx的协同作用形成活化H2的高活性表面,在室温下就可以生成甲酸盐物种,在随后的升温过程中甲酸盐逐渐转变为甲氧基.通过对比负载型Cu/Al₂O₃及Cu/ZnO催化剂的研究,得以更加深入地理解铜基催化剂中载体在CO₂加氢制甲醇过程中所起的作用:Al₂O₃能较好分散Cu,且能够稳定Cu⁺;相对于ZnO,Al₂O₃具有较强的吸附CO₂能力,能够在表面形成大量的碳酸氢盐物种及碳酸氢盐物种,与表面Cu作用在升温过程中能够生成大量的甲酸盐物种;对于5 wt%Cu/ZnO在H2还原和CO₂加氢过程中Cu表面被ZnOx包覆,其高度缺陷的表面结构能在室温下解离H2.这些结果表明,实际CuZnAlO催化剂上CO₂加氢制备甲醇的活性位点可能包含Cu⁺,Cu0及相邻的具有高度缺陷结构的ZnOx包覆层.     

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。     

金属单原子催化剂在电催化二氧化碳和水裂解的研究进展

利用电催化技术开发新型能源,是用来替代传统能源的一种新策略,化石燃料的大量使用从而导致相关的环境问题将会得到良好解决。对于这些技术的推广,设计并制备出高效稳定的电催化剂至关重要。单原子催化剂（SACs）在载体上具有原子分布的活性位点,是催化领域的新兴材料,具有美好的应用前景,现已成为电催化领域的研究热点。在此综述中,详细阐述了单原子电催化剂的一般载体、制备方法及其先进表征方法。同时系统总结了单原子电催化剂在能量转化和环境保护(CO2还原、水裂解）方面的应用。基于各种单原子催化剂研究的最新进展,我们简单阐述了催化机制。最后,讨论了单原子催化剂在电催化方向发展的挑战和前景,我们希望为单原子电催化剂的合成、设计和应用提供经验,更好的促进在电催化能量转换方面的发展。     

Fundamental Aspects of Ceria Supported Au Catalysts Probed by In Situ/Operando Spectroscopy and TAP Reactor Studies

The discovery of the activity of dispersed gold nanoparticles three decades ago paved the way for a new era in catalysis. The unusual behavior of these catalysts sparked many questions about their working mechanism. In particular, Au/CeO₂ proved to be an efficient catalyst in several reactions such as CO oxidation, water gas shift, and CO₂ reduction. Here, by employing findings from operando X-ray absorption spectroscopy at the near and extended Au and Ce L_III energy edges, we focus on the fundamental aspects of highly active Au/CeO₂ catalysts, mainly in the CO oxidation for understanding their complex structure-reactivity relationship. These results were combined with findings from in situ diffuse reflectance FTIR and Raman spectroscopy, highlighting the changes of adlayer and ceria defects. For a comprehensive understanding, the spectroscopic findings will be supplemented by results of the dynamics of O₂ activation obtained from Temporal Analysis of Products (TAP). Merging these results illuminates the complex relationship among the oxidation state, size of the Au nanoparticles, the redox properties of CeO₂ support, and the dynamics of O₂ activation.     

单分散PtNi纳米粒子特殊的红外光学性能(英文)

采用电位置换反应以及化学还原法制备了单分散PtNi纳米粒子,循环伏安结果显示该纳米粒子在0.1mol·L-1硫酸介质中对CO的氧化表现出比本体Pt电极更好的电催化活性.以CO为探针分子,采用电化学原位红外光谱研究了PtNi纳米粒子上的特殊红外光学性能.结果表明,PtNi纳米粒子无论是在玻碳电极还是在金电极上,均表现出对称的双极谱峰,同时给出很强的增强效应.论文研究结果有助于进一步了解低维纳米材料特殊红外性能的本质.     

Photocatalytic Removal of Soot: Unravelling of the Reaction Mechanism by EPR and in situ FTIR Spectroscopy

Photocatalytic soot oxidation is studied on P25 TiO₂ as an important model reaction for self‐cleaning processes by means of electron paramagnetic resonance (EPR) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Contacting of carbon black with P25 leads on the one hand to a reduction of the local dioxygen concentration in the powder. On the other hand, the weakly adsorbed radicals on the carbon particles are likely to act as alternative traps for the photogenerated conduction‐band electrons. We find furthermore that the presence of dioxygen and oxygen‐related radicals is vital for the photocatalytic soot degradation. The complete oxidation of soot to CO₂ is evidenced by in situ FTIR spectroscopy, no intermediate CO is detected during the photocatalytic process.     

Cobalt porphyrins supported on carbon nanotubes as model catalysts of metal-N_4/C sites for oxygen electrocatalysis

Transition-metal based M-N_4/C catalysts are appealing for electrocatalytic oxygen reduction reaction(ORR) and oxygen evolution reaction(OER). Employing model catalysts, which have well-defined molecular structures and coordination environments, to investigate electrocatalytic performance of M-N_4/C sites for ORR and OER is of fundamental significance. Herein, we reported the use of Co tetra(phenyl)porphyrin 1 and Co tetra(pentafluorophenyl)porphyrin 2 as models to probe the role of Co-N_4/C sites for oxygen electrocatalysis. We showed that Co porphyrin 1 is more efficient than its structural analogue 2 for oxygen electrocatalysis in alkaline aqueous solutions, indicating that the electronrich Co-N_4/C site is more favored when noncovalently adsorbed on carbon supports. This work inspires rational design of reaction-oriented catalysts for sustainable energy storage and conversion technologies.     

O2和CO在Ni(111)表面的吸附活化

采用高分辨电子能量损失谱(HREELS)、俄歇电子能谱(AES)和低能电子衍射(LEED)研究镍单晶表面氧物种及CO与O₂的共吸附。实验结果表明,Ni(111)表面氧化后存在两种氧物种,位于54 meV能量损失峰的表面化学吸附氧物种和位于69 meV能量损失峰的表面氧化镍。首先,随着暴露氧量的增加,表面化学吸附氧物种的能量损失峰蓝移至58 meV;其次,通过真空退火及与CO相互作用考察,发现表面化学吸附氧物种较不稳定。在室温条件下,表面预吸附形成的表面化学吸附氧物种与CO共吸附,导致端位吸附CO增多,表明氧优先吸附在穴位上,随着CO暴露量的增加化学吸附氧物种与CO反应脱去;而表面氧化镍需在较高温度和较高CO分压下才能被CO还原。预吸附CO可被氧逐渐移去。     

Studies of carbon monoxide oxidation on carbon-supported platinum-osmium electrocatalysts

The electrocatalytic oxidation of hydrogen in the presence of carbon monoxide was studied on PtOs/C electrocatalysts prepared by the formic acid method and heat-treated under several temperatures and atmospheres. The physical properties of the metallic phase were evaluated by X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray (EDX) analysis, and in situ X-ray absorption spectroscopy (XAS). The electrochemical performance of these materials was evaluated by single-cell polarization measurements, cyclic voltammetry, and linear sweep CO stripping voltammetry. The results have shown an enhancement of the CO oxidation process for the as-prepared PtOs/C and for a material heat-treated in a reducing atmosphere (hydrogen at 500 °C), compared to Pt/C. The electrochemical data also showed that the as-prepared and hydrogen-treated PtOs/C catalysts present CO tolerance higher than Pt/C. This has been associated with the occurrence of a surface reaction of CO adsorbed on Pt and oxygenated Os sites, favored by an intimate physical contact between segregated Os and Pt phases.Dedicated to Prof. Wolf Vielstich on the occasion of his 80th birthday in recognition of his numerous contributions to interfacial electrochemistry