电解水金属单原子催化剂的研究进展

氢能因其能量密度高、清洁无污染等特点,作为替代化石燃料的能源载体得到了广泛的研究.如何清洁高效地制备氢气受到了大量研究者的关注.当前,以化石能源的热反应所得副产氢气是主要来源.然而,采用该类方法不仅不能摆脱化石能源的使用以及温室气体的排放,还会造成生产氢气的纯度不高,碳氧化物杂质浓度过高的问题,严重影响氢气的后续使用.采用可再生能源(太阳能、风能等)所产富余电,进行电解水制氢,产生的氢气不含碳氧化合物杂质,纯度很高,可以真正实现碳的零排放,被认为是未来氢气来源的重要方式.目前,电解水制氢在制氢市场的所占份额较小,而造成这样局面的主要因素是该过程中的高能耗问题.为了降低能耗,开发高效催化剂加速两个电极上的电解反应的动力学尤为重要.近年,金属单原子催化剂(SACs)因其独特的结构,在很多研究中被用作电解水催化剂,进而开发出大量高性能的金属单原子电解水催化剂.本文综述了近年SACs在电解水催化方面的应用.首先,针对电解水反应本身,总结了阴阳极两侧的电极反应机制以及影响电极催化性能的关键吸附中间物种;然后,根据载体的不同,即合金、碳以及其它化合物将SACs分为三类,总结了相关电解水催化研究现状,并且针对不同类型SACs目前的发展情况,提出了它们各自存在的问题.其次,进一步总结了影响SACs电解水催化活性的因素,提出了四种决定SACs催化性能的影响因子,分别为金属原子的固有元素性质、配位环境、几何结构和负载量;同时讨论了这四类影响因素对SACs催化活性的影响机制,总结了调控各类影响因素的方法,为SACs的设计提出了一些建议.最后,展望了SACs在电解水催化中的应用,探讨了SACs在催化剂设计及催化机制研究方面的问题,提出了SACs在电解水催化中的未来发展方向.     

硅烷化对NH3选择性催化还原NOx催化剂CuCe/BEA水热稳定性的促进作用

采用硅烷化改性NH₃选择性催化还原NO_x催化剂CuCe/BEA,以提高催化剂的水热稳定性。X射线衍射、扫描电子显微镜和²⁷Al核磁共振谱图等研究证实,硅烷化改性明显抑制BEA分子筛骨架中Si-O-Al键的水解,保持其结构完整,从而有效提高水热处理后CuCe/BEA的催化活性。氨气-程序升温脱附和原位漫反射傅里叶变换红外光谱研究结果表明,硅烷化改性的催化剂由于保持更完整的骨架结构能够形成更多的酸性位点。此外,氢气-程序升温还原和X射线光电子能谱测试表明,硅烷化改性有利于提高活性铜物种的分散性。因此,相比于CuCe/BEA催化剂,硅烷化改性的CuCeSi/BEA催化剂具有更多的酸性位点和高度分散的Cu物种,共同促进了催化剂的水热稳定性。     

Zr的添加对提高NH3选择性催化还原NOx整体式催化剂热稳定性的影响

采用共沉淀的方法制备了CeTiO_x和CeZrTiO_x两种用于NH₃选择性催化还原NO_x的催化剂.两种催化剂在不同的高温条件下进行热老化以考察Zr的添加对CeTiO_x催化剂热稳定性的影响.NH₃-SCR活性数据显示,经过650、750和850 ℃的高温老化处理,Zr改性后的催化剂较CeTiO_x催化剂具有更好的催化活性和N₂选择性.XRD、Raman和H₂-TPR结果表明添加Zr可以阻止Ce物种的烧结并且抑制金红石相TiO₂的生成.催化剂的SEM图像显示Zr的添加可以抑制颗粒随着焙烧温度升高而产生的聚集长大.XPS的Ce3d光谱表明,随着老化温度的提升,CeTiO_x催化剂表面的Ce³⁺/Ce⁴⁺比相对于CeZrTiO_x催化剂下降更加明显.这意味着随着Zr的添加,更多的晶格缺陷和氧空缺出现在Zr改性催化剂的表面,这有利于催化性能的提升.另外,NH₃-TPD结果表明经过相同的高温老化,改性的催化剂保持了更多的Brönsted酸性位,提高了催化活性并抑制了氨的氧化.因此,Zr的添加提高了催化剂的热稳定性能.     

CoOOH用作阴极催化剂对非水性锂-氧气电池性能的影响

利用工艺简单,成本低廉的共沉淀法制得CoOOH,并用作非水性锂-氧气电池阴极催化剂。通过恒流充放电、线性伏安扫描（LSV）和电化学阻抗（EIS）测试研究了电极的电化学性能。结果表明：由于CoOOH能够明显提高氧气还原反应（ORR）的催化活性,与未使用CoOOH的电极相比较,使用CoOOH为催化剂的电极首次放电容量高达5 093 mAh·g^-1,提高了1.7倍。电池的充电过电压降低了约460 mV,充电可逆性得到增强,充放电可逆性提高,使得循环性能得到显著改善。     

Al含量对AB5型储氢合金电极低温和高倍率性能的影响

系统地研究了Al含量对富Ce储氢合金MmNi_4-xCo_0.7Mn_0.3Al_x（x=0,0.1,0.2,0.3）电极综合电化学性能,尤其是对低温和高倍率性能的影响。在常温下,储氢合金电极放电容量和循环性能均随着Al含量的增加而增加,而高倍率放电性能严重下降。-20℃时,放电容量仍随着Al含量的增加而增加,但在-40℃下放电容量随之严重衰退。电化学动力学结果表明,常温下高Al合金高倍率性能的降低主要是由于电极表面电荷转移过程的恶化;低温-40℃下,Al同时降低了合金电极的表面电催化活性以及体相H扩散能力,严重恶化电极过程动力学,从而导致了高Al合金极低的容量及电压输出。考虑到各电极的综合电化学性能,MmNi_3.8Co_0.7Mn_0.3Al_0.2为最佳的成分配比。     

电化学自组装Fe/Cu纳米复合材料对铁镍电池高倍率及低温性能改性

通过在碱液中阴极还原铁酸铜（t-CuFe₂O₄）简便地实现了纳米Fe/Cu复合材料的自组装。采用循环伏安（CV）与X射线衍射（XRD）分析了自组装过程中的相变。通过透射电镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）以及扫描透射-能谱分析（STEM-EDX）的表征可以发现电结晶得到的铁、铜纳米颗粒分布均匀且接触紧密。当用于铁镍电池负极时,Fe/Cu纳米复合电极展现了较好的放电容量与充电接收能力,并具备优异的高倍率与低温性能。当电流密度高达4 500 mA·g_Fe^-1或运行温度仅为-40℃时,该电极仍拥有很好的输出容量与电位特性。线性扫描伏安（LSV）分析证明了该电极中原位生成的Cu纳米颗粒催化了活性Fe的阳极溶解动力学性能,因而明显改善了电极的高倍率与低温放电性能。     

La对柴油车尾气中可溶性有机物氧化催化剂CeO2-ZrO2的影响

采用共沉淀法分别制备CeO₂-ZrO₂(质量比60:40)和CeO₂-ZrO₂-La₂O₃(质量比60:30:10)催化剂.利用热重-差热分析(TG-DTA)对柴油车尾气中可溶性有机物(SOF)的催化活性进行测试.结果表明La改性的CeO₂-ZrO₂催化剂相较于CeO₂-ZrO₂催化剂表现出更好的活性, SOF的起燃温度为164 ℃,最大失重点温度为212 ℃;对CeO₂-ZrO₂来说, SOF在168 ℃开始转化, 221 ℃转化最快. X射线衍射(XRD)结果表明, La的添加有效降低老化催化剂的晶粒尺寸增大速率. N₂吸附-脱附的结果说明La的添加有利于增大CeO₂-ZrO₂催化剂的比表面积; O₂-程序升温脱附(O₂-TPD)和X射线光电子能谱(XPS)结果表明La的改性有效增加化学吸附氧含量.因此, CeO₂-ZrO₂-La₂O₃催化剂表现出较好的催化活性和抗老化性.     

在氢气氧化反应中具有高催化活性的Pt修饰的Ni/C纳米催化剂

随着能源需求的进一步增多和化石能源的大幅度减少,新型环境友好型能源成为近十年许多科研工作者的着力点.其中,燃料电池作为一种高效率、高能量密度、环境友好型能源引起了人们的关注.氢氧燃料电池研究最早、应用最早,具有得天独厚的优势.此外,由于近些年CO2的大量排放,造成了严重的温室效应,其处理也是一个严峻的课题.谢和平课题组提出的CO2矿化发电,不仅可以处理CO2,也可以作为新型能源应用,前景广阔.而不论是氢氧燃料电池还是CO2矿化电池,其阳极反应均为氢气氧化反应(HOR).Pt作为目前仍无法取代的HOR反应催化剂,不仅全球储量有限且价格昂贵,所以,寻找一种价格低廉催化性能好的催化剂成为这些新能源进一步应用的重要课题之一.对此人们进行了大量探索,主要包括尝试不同的载体、改变金属颗粒尺寸形貌等.其中,伽伐尼置换法对于制备纳米核壳结构催化剂以及降低金属颗粒尺寸、增加比表面积均有很大帮助.基于此,本文采用浸渍法和伽伐尼置换法制备了用Pt修饰Ni/C的纳米催化剂,使得纳米级活性金属均匀分散在载体上,加之双金属效应,相对于纯Pt/C催化剂,催化能力提高.浸渍法制得Ni/C前驱体,再将其置于纯乙醇中,用H2PtCl6作为Pt源置换部分Ni,得到Pt修饰的Ni/C催化剂.XRD射线衍射测试结果表明,一般的PtNi合金由于晶格相互影响,只会出现Pt的偏移衍射峰,而该催化剂均出现明显的PtNi两种元素的衍射峰,PtNi晶格互相没有影响.循环伏安法测试结果表明,在Pt-Ni/C系列催化剂中,Pt和Ni含量不同,其电化学活性面积(ECSA)各不相同.在金属总含量一致的前提下,随着Pt含量的增加,催化剂ECSA先增加后减小,最大值为66.90 m2/g,是市售Pt/C(54.12 m2/g)的1.24倍.Tafel测试HOR/HER反应交换电流密度的结果与ECSA结果一致,而Pt-Ni/C催化剂的交换电流密度最高可达485.45 A/g,是市售Pt/C(301.91 A/g)的1.6倍.对性能较好的Pt-Ni/C催化剂进行了表征,X射线光电子能谱结果发现,该催化剂载体上只有少部分Ni的氧化物裸露在表面,大部分为Pt.而透射电镜结果表明,该催化剂纳米级活性金属颗粒尺寸一致,且均匀地分散在载体表面.综合催化剂表征和电化学性能测试结果可知,使用伽伐尼置换法得到的Pt修饰的Ni/C催化剂分散均匀、颗粒尺寸小,且由于Pt作为主要催化活性金属分散于催化剂表面,而Ni作为辅助金属并不直接参与HOR反应,使得该催化剂具有较高的电化学活性.在Pt含量较少时,由于有很多Ni在催化剂表面,且催化层厚度较大,故催化活性一般.随着Pt含量的增加和Ni含量的减少,当催化剂表面只有很少Ni及相关化合物时,由于Pt比表面积大,故活性最高.当Pt含量继续增加时,Pt在Ni表面厚度增加,很多Pt被包裹,故催化活性再次降低.     

Al含量对AB5型储氢合金电极低温和高倍率性能的影响

系统地研究了Al含量对富Ce储氢合金MmNi_4-xCo_0.7Mn_0.3Al_x（x=0,0.1,0.2,0.3）电极综合电化学性能,尤其是对低温和高倍率性能的影响。在常温下,储氢合金电极放电容量和循环性能均随着Al含量的增加而增加,而高倍率放电性能严重下降。-20℃时,放电容量仍随着Al含量的增加而增加,但在-40℃下放电容量随之严重衰退。电化学动力学结果表明,常温下高Al合金高倍率性能的降低主要是由于电极表面电荷转移过程的恶化;低温-40℃下,Al同时降低了合金电极的表面电催化活性以及体相H扩散能力,严重恶化电极过程动力学,从而导致了高Al合金极低的容量及电压输出。考虑到各电极的综合电化学性能,MmNi_3.8Co_0.7Mn_0.3Al_0.2为最佳的成分配比。