“卡房”结构LDHs负载Pt纳米催化剂用于乙醇电催化氧化

乙醇电催化氧化是直接乙醇燃料电池(DEFCs)的核心反应,而DEFCs的阳极电催化剂是提升乙醇转化效率的关键。Pt作为最稳定、最有效的催化剂之一,仍面临着成本高、容易被乙醇氧化产生的中间产物毒化等问题。选择合适的载体实现Pt的高度、均匀、稳定分散,不仅可以提高其抗中毒能力和催化活性,而且还可以减少Pt用量降低成本。本文采用两步电化学沉积法合成了层状双金属氢氧化物(LDHs)纳米阵列负载Pt纳米催化剂(Pt/LDHs/NF),具有“卡房”结构的LDHs增强了Pt纳米粒子的分散,有助于实现高效的乙醇电催化氧化性能。制备的Pt/NiFe-LDH/NF在碱性环境下对乙醇表现出最优的电催化氧化活性,峰值电流密度达到171.99mA·cm^-2。这可为今后设计和制备均匀、稳定分散的Pt基催化剂用于乙醇电催化氧化提供借鉴。     

氮掺杂石墨炭包覆的钴纳米催化剂作高效、高稳定性电催化制氢

电催化制氢是解决当前能源危机的重要手段之一。 研究高效稳定的非贵金属电催化剂是电催化制氢商业应用的重点。 本文通过直接高温热解双金属沸石咪唑骨架,制备了一种氮掺杂石墨炭(NC)包覆均匀分布的钴纳米颗粒电催化剂(V-Co@NC,这里V是vacancy缩写),前躯体中的Zn元素有效地防止钴纳米颗粒的聚集,并有助于生成均匀分布的钴纳米颗粒。 这种特殊的纳米结构可防止钴与电解液的直接接触,提升了其循环稳定性,同时,氮元素的掺杂提升了导电性,有利于电催化制氢性能的提升。 结果表明,所制备的V-Co@NC催化剂在酸性和碱性电解液中均具有良好的催化性能,且经过5000次循环测试后催化活性基本保持不变,具有良好的应用前景。为高活性和高选择性的电催化制氢催化剂的发展提供一种全新的途径。     

化学功能化增强贵金属纳米晶电催化性能（英文）

基于电催化过程的可再生和清洁能源的生产、转换和储存技术(如水电解和燃料电池)是缓解全球能源短缺和环境污染问题的有效手段.目前,水电解和燃料电池技术的实际应用缺乏高效、稳定的电催化剂来驱动动力学迟缓的阴极和阳极反应.贵金属纳米晶由于其独特的电子结构和高化学惰性而具有高电催化活性和稳定性.为了提升贵金属纳米晶的本征电催化性能,大量研究聚焦在利用面积效应、晶面效应和不同组分之间的协同效应来调控贵金属的粒径、形貌和化学成分.事实上,贵金属纳米晶的电催化性能也与其表/界面性质密切相关.电催化剂表面的化学功能化可以改变电极/电解质界面结构,从而提高电催化活性和选择性,这对开发新型高效的电催化剂具有重要的理论意义.本文系统介绍了本课题组开发的聚胺(PAM)功能化贵金属纳米电催化剂的合成方法及其在燃料电池和电解池等能源转换装置中的应用,具体包括:通过引入PAM控制反应动力学来调控纳米晶体的结构和形态,构建界面功能化贵金属纳米电催化剂;利用金属表面修饰的PAM分子改变表面催化位点的电子结构、配位环境等物理化学性质来控制反应物和中间体等的吸附行为,从而达到调节催化活性的目的;采用PAM分子来隔离特定活性位...     

燃料电池碳基氧还原催化剂的设计与应用

燃料电池以高比能、低污染等独特优势,备受研究者的广泛关注。然而,燃料电池的商业化应用受到电极催化剂的性能、隔膜性能与成本等方面的限制。其中,氧还原反应作为燃料电池阴极的关键电极反应,其催化剂的电催化活性显著影响燃料电池性能和生产成本。因此,氧还原催化剂一直是燃料电池研究重要方向之一。碳基催化剂表现出了类似贵金属的电催化活性,通过优化碳基催化剂的结构及表面电子性质,能够降低氧还原反应过电势,促进氧还原四电子的反应过程,从而实现更高的能量转化效率。针对碳基催化剂在燃料电池中的基础应用,本文综述了近年来杂原子掺杂以及非贵金属与杂原子协同掺杂碳基催化剂的设计思路、电催化性能和潜在的催化机理等最新研究进展,并对未来发展方向进行了总结与展望。     

泡沫镍铁合金自支撑NiFeOOH纳米片的制备及析氧性能研究

电催化析氧反应(OER)是电解水制氢的重要半电池反应。然而,OER的缓慢动力学仍需研究高效的电催化剂。在非贵金属催化剂中,NiFe基材料是OER催化剂研究热点。本文通过食人鱼溶液简单一步浸渍刻蚀法将不同Fe含量的泡沫NiFe合金进行氧化,制备了表面具有纳米片形貌的NiFeOOH自支撑电催化剂,并深入研究其电催化析氧性能。通过SEM、XRD、XPS等对电催化剂的形貌结构及成分进行表征,证实了三维多孔基底上NiFeOOH纳米片结构的形成。由于高价镍、铁物种的存在以及二维纳米片结构的生成,NiFeOOH/NF的析氧性能大幅度提高,在10 mA?cm-2的电流密度下过电位仅155.68 mV,Tafel斜率为 88.2 mV?dec-1。这为研制高效、耐用的自支撑非贵金属电极提供了新思路。     

钯基氧还原和乙醇氧化反应电催化剂:关于结构和机理研究的一些近期见解

质子交换膜燃料电池和直接乙醇燃料电池已成为可持续性清洁能源研究的一个聚焦点。在燃料电池中,氧还原反应和乙醇氧化反应是两个重要的反应,其相关高活性、高稳定性并且廉价的催化剂的研发仍然存在很多问题,极大地制约了燃料电池的大规模商业化应用。其中的挑战主要来自于对纳米催化剂结构和反应机理的有限认识。由于实验表征理论计算的结合,对钯基合金纳米材料电催化剂的研究得到了很大的进展。本文从实验和理论计算两个方面出发,重点讨论了应用于氧还原反应和乙醇氧化反应的钯和钯基电催化剂的结构和反应机理方面的近期研究的一些见解。这些见解对未来催化剂的设计与优化有一定的启发意义。     

钯基氧还原和乙醇氧化反应电催化剂：关于结构和机理研究的一些近期见解（英文）

质子交换膜燃料电池和直接乙醇燃料电池已成为可持续性清洁能源研究的一个聚焦点。在燃料电池中,氧还原反应和乙醇氧化反应是两个重要的反应,其相关高活性、高稳定性并且廉价的催化剂的研发仍然存在很多问题,极大地制约了燃料电池的大规模商业化应用。其中的挑战主要来自于对纳米催化剂结构和反应机理的有限认识。由于实验表征理论计算的结合,对钯基合金纳米材料电催化剂的研究得到了很大的进展。本文从实验和理论计算两个方面出发,重点讨论了应用于氧还原反应和乙醇氧化反应的钯和钯基电催化剂的结构和反应机理方面的近期研究的一些见解。这些见解对未来催化剂的设计与优化有一定的启发意义。     

层状金属氢氧化物中铁位点辅助分散铂纳米颗粒用于高效甲醇氧化（英文）

高活性和耐用性的甲醇氧化电催化剂对于直接甲醇燃料电池的商业可行性至关重要,然而,目前的甲醇氧化电催化剂与预期相去甚远,存在贵金属用量过多、活性平庸、衰减快等问题。在这里,我们报告了锚定在镍铁层状金属氢氧化物(NiFe-LDHs)表面Pt纳米颗粒复合材料,用于在碱性介质中稳定电催化甲醇氧化。基于Pt纳米颗粒的高固有甲醇氧化活性,与商业Pt/C催化剂相比,基底材料NiFe-LDHs在200,000 s循环测试后进一步增强了Pt的抗中毒能力和稳定性。NiFe-LDHs层板上单原子分散的Fe作为锚定位点将Pt纳米颗粒均匀分散在其表面,进一步充分利用了层状金属氢氧化物表面丰富的OH基团,促进邻近Pt位点上毒化中间体的氧化去除。这项工作突出了NiFeLDH在提高甲醇氧化反应整体效率方面的特殊性,为其他甲醇氧化电催化的设计和应用提供了指导。     

钯原子修饰的金纳米颗粒乙醇氧化电催化剂

钯催化剂对碱性溶液的乙醇电催化氧化反应表现较好的催化活性. 本文通过简单的化学沉积法,将钯原子成功修饰到金纳米颗粒表面,制备的催化剂对乙醇电催化氧化反应表现出比钯更好的催化性能. 研究发现,钯原子不均匀地覆盖在金核表面,部分金原子暴露在外层. 制备的催化剂的峰电流密度是钯催化剂的4.6 倍,起始电势低100 mV. 该催化剂较好的催化性能可能归因于金核的电子效应和表面双功能电催化反应机制.     

电位置换反应在空心结构Pt基燃料电池纳米催化剂中的研究进展

Pt基催化剂是质子交换膜燃料电池难以替代的催化剂,然而低储量高成本的Pt严重制约其商业化进程。如何在减少贵金属Pt用量的同时提高其电催化性能是该领域的核心问题之一。空心结构纳米催化剂活性面积大,催化活性高,稳定性好且显著减少贵金属的用量,其制备方法众多,其中电位置换法无需额外的去核、无需对模板表面进行功能化且易于控制,是制备空心结构纳米材料的主要方法。本文综述了近年来国内外利用电位置换反应制备空心Pt基纳米催化剂的最新进展,并对其发展和应用前景进行了展望。     

Preparation and electrochemistry of Pd-Ni/Si nanowire nanocomposite catalytic anode for direct ethanol fuel cell

A new silicon-based anode suitable for direct ethanol fuel cells (DEFCs) is described. Pd-Ni nanoparticles are coated on Si nanowires (SiNWs) by electroless co-plating to form the catalytic materials. The electrocatalytic properties of the SiNWs and ethanol oxidation on the Pd-Ni catalyst (Pd-Ni/SiNWs) are investigated electrochemically. The effects of temperature and working potential limit in the anodic direction on ethanol oxidation are studied by cyclic voltammetry. The Pd-Ni/SiNWs electrode exhibits higher electrocatalytic activity and better long-term stability in an alkaline solution. It also yields a larger current density and negative onset potential thus boding well for its application to fuel cells.     

PdCoIr四面体合金纳米催化剂的制备及其对乙醇氧化的电催化性能

钯(Pd)基催化剂是直接乙醇燃料电池研究中广泛使用的催化剂,进一步提升其性能是推动燃料电池发展的重要方向。本文用一步水热法制备出四面体结构PdCo(PdCo tetrahedron,记为PdCo-TH)和少量铱(Ir)掺杂的PdCo四面体合金纳米粒子(记为PdCoIr-TH)。经TEM、ICP、XPS及CV等表征证实,PdCoIr-TH为三元合金纳米粒子,且掺杂的Ir元素倾向分布在催化剂表层。相比于商业Pd/C催化剂,PdCo-TH/C和PdCoIr-TH/C对乙醇电氧化的催化性能显著增强。研究结果表明,Pd₉Co₁Ir_0.1-TH/C在低电位(< -0.25 V)下具有最高的乙醇电氧化活性和稳定性。Ir掺杂不仅提高了催化剂抗CO毒化的能力还有利于乙醇起始氧化电位负移。同时,随着Ir含量的增加,所制备的纳米催化剂的乙醇电氧化C1产物选择性也随之升高。针对不同组成催化剂反应性的差异,本文认为Co与Ir位点上容易产生OH_ad物种,这将有利于活性Pd位点上乙醇电氧化中间反应物种的有效转化。除了以上的各位点间的协同效应,三元合金的形成,进一步调控了Pd的d带电子结构,从而促进了催化剂反应性的改变。     

Preparation and electrocatalytic properties of Pt-SiO2 nanocatalysts for ethanol electrooxidation

Due to their high stability in general acidic solutions, SiO(2) nanoparticles were selected as the second catalyst for ethanol oxidation in sulfuric acid aqueous solution. Pt-SiO(2) nanocatalysts were prepared in this paper. The micrography and elemental composition of Pt-SiO(2) nanoparticles were characterized by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, respectively. The electrocatalytic properties of Pt-SiO(2) nanocatalysts for ethanol oxidation were investigated by cyclic voltammetry. Under the same Pt loading mass and experimental conditions for ethanol oxidation, Pt-SiO(2) nanocatalysts show higher activity than PtRu/C (E-Tek), Pt/C (E-Tek), and Pt catalysts. Additionally, Pt-SiO(2) nanocatalysts possess good anti-poisoning ability. The results indicate that Pt-SiO(2) nanocatalysts may have good potential applications in direct ethanol fuel cells.     

电催化剂设计中表面和界面工程的最新进展

电催化已发展为一种涉及电化学、表面科学、材料科学和催化科学等众多科学分支的交叉学科和综合技术,在工农业生产、经济和国防建设、能源开发和环境保护等方面发挥了不可或缺的作用。金属纳米催化剂的可控合成和创新构建,极大地推动了电催化的广泛应用和巨大进展。过渡金属尤其是贵金属Pt、Pd等电催化剂,在电催化中表现出良好的选择性、活性和稳定性,很难完全被其他材料所取代。制约电催化可持续发展的瓶颈问题是,如何设计、合成和构建高性能低成本的金属纳米催化剂。为实现这一目标,人们付出了大量的努力并取得了一些可喜的进展。电催化是发生在电解质与电极材料表面和界面的异相催化反应,金属纳米电催化剂的性能与其形貌、结构、尺寸和组成相关。本文着力总结和探讨如何从表面工程和界面工程角度设计、合成和构筑金属纳米结构及其复合结构,以实现金属电催化剂性能和成本的双优化。本文提出了在金属纳米结构及其复合结构的设计、合成和构筑过程中需要考虑的几个重要的表面和界面因素,即表面面积、表面晶面、活性位点和界面结构等。首先,有效表面面积越大,越有利于电催化反应。我们总结了增大催化剂有效活性面积的四种有效方法,包括减小颗粒尺寸、制成薄层二维纳米结构、增大粗糙度、形成中空、多孔或介孔及框架结构等。其次,表面晶面也可决定电催化的性能。我们简单总结了低指数晶面和高指数晶面在表面能、晶面形成和催化活性上的“挑战与机遇”矛盾关系,并简要阐述了晶面选择性即晶面效应以及晶面与尺寸的依赖关系。再次,活性位点一般指的是低配位表面原子位点,是电催化反应的决定因素之一。我们描述了活性位点与表面和界面结构特征、纳米晶表面晶面、表面缺陷和空穴、表面面积和粒子尺寸等的依赖关系。最后,界面结构工程是调控电催化性能的最丰稔因素。我们简述了界面结构的形成、分类及其对优化界面活性位点的成分和几何结构、表面悬键和原子配位数、电子结构与电子传递、质子传输和物种交换等方面调控作用,并在界面工程的基础上推介了贵金属基复合结构的合成、组装的几种典型方式。本文以具体示例的形式,分别从表面工程和界面工程的角度,扼要介绍了本课题组最近在甲酸氧化、氧还原、析氢等电催化反应体系中贵金属基纳米结构及其复合纳米结构电催化剂的设计、合成与构筑的具体做法。我们分别介绍了低指数晶面和高指数晶面的表面设计对于提高催化剂性能的关键作用。对于低指数晶面,我们重点介绍了如何获得相似尺寸的不同表面晶面以研究其晶面效应,如何维持相同晶面调节尺寸以研究其尺寸效应,如何建造与电极有良好电学接触的低指数晶面纳米结构,以利于提升其电催化性能。对于高指数晶面,介绍了几种形成高指数晶面的途径,并阐明了其晶面对电催化性能的影响。另一方面,我们从金属纳米结构及其复合结构的成分和结构调控策略介绍了界面构建对于提升电催化性能的奇妙作用,包括建造多金属纳米结构、与二维材料负载组装和利用界面极化。由此,本文总结了表面和界面工程对于电催化剂设计、合成和构筑目前面临的三个关键挑战。     

介孔钯-硼合金纳米颗粒的制备和甲醇氧化电催化性能北大核心CSCD

合金化可以调节贵金属纳米材料的物理化学性质,从而显著提升它们的电催化性能。尽管合金化在过去的20多年里已取得诸多成果,但是如何充分发挥纳米合金的组分优势仍需深入的探究。本研究通过一步溶液相合成法实现了类金属硼(B)合金化的钯基介孔纳米催化剂材料的合成,同时探究了B原子的组分优势和介孔形貌的结构优势在碱性介质中电化学甲醇氧化反应(MOR)的协同作用。最优PdCuB介孔纳米催化剂表现出优异的电化学MOR活性和稳定性。机理研究表明,优异的催化活性源于B原子在Pd基介孔纳米催化剂中的积极协同作用;该协同作用通过电子效应(改变Pd的表面电子结构从而减弱CO基中间体的吸附)和双功能效应(促进OH_(2)的吸附从而氧化CO基中间体)在动力学上加速了有毒CO基中间体的去除(提高甲醇氧化的决速步骤)。同时,B原子的间隙插入和介孔结构抑制了物理奥斯特瓦尔德(Ostwald)熟化过程,显著增加了催化剂的稳定性。     

Methanol and ethanol electrooxidation on Pt and Pd supported on carbon microspheres in alkaline media

Noble metal (Pt, Pd) electrocatalysts supported on carbon microspheres (CMS) are used for methanol and ethanol oxidation in alkaline media. The results show that noble metal electrocatalysts supported on carbon microspheres give better performance than that supported on carbon black. It is well known that palladium is not a good electrocatalyst for methanol oxidation, but it shows excellently higher activity and better steady-state electrolysis than Pt for ethanol electrooxidation in alkaline media. The results show a synergistic effect by the interaction between Pd and carbon microspheres. The Pd supported on carbon microspheres in this paper possesses excellent electrocatalytic properties and may be of great potential in direct ethanol fuel cells.     

Noble‐Metal Nanocrystals with Controlled Facets for Electrocatalysis

Noble‐metal nanocrystals (NCs) show excellent catalytic performance for many important electrocatalysis reactions. The crystallographic properties of the facets by which the NCs are bound, closely associated with the shape of the NCs, have a profound influence on the electrocatalytic function of the NCs. To develop an efficient strategy for the synthesis of NCs with controlled facets as well as compositions, understanding of the growth mechanism of the NCs and their interaction with the chemical species involved in NC synthesis is quite important. Furthermore, understanding the facet‐dependent catalytic properties of noble‐metal NCs and the corresponding mechanisms for various electrocatalysis reactions will allow for the rational design of robust electrocatalysts. In this review, we summarize recently developed synthesis strategies for the preparation of mono‐ and bimetallic noble‐metal NCs by classifying them by the type of facets through which they are enclosed and discuss the electrocatalytic applications of noble‐metal NCs with controlled facets, especially for reactions associated with fuel‐cell applications, such as the oxygen reduction reaction and fuel (methanol, ethanol, and formic acid) oxidation reactions.