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.     

泡沫镍载碳化钨催化剂上的析氢反应

结合直接化学还原法和交替微波法制备了泡沫Ni载Ni-WC催化剂,用X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对催化剂进行了表征,研究了其析氢电催化性能.结果表明,在相同条件下,泡沫Ni载Ni-WC催化剂的析氢起始电位与泡沫Ni相比降低了60 mV左右.电解质浓度和温度对泡沫Ni载Ni-WC催化剂的析氢电催化活性有很大影响.     

甲醇在欠电位沉积Ru修饰Pt电极上的催化氧化

采用欠电位沉积(upd)方法在Pt 表面沉积亚单层的Ru制备出upd-Ru/Pt 电极. 通过欠电位沉积前后电极在0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中循环伏安图-152 - 128 mV(vs Ag/AgCl)电位范围内对氢区的数值积分确定Pt表面Ru 的覆盖度. 用电化学方法测试了甲醇在upd-Ru/Pt电极上的催化氧化, 并讨论分析了欠电位沉积电位和Ru的表面覆盖度对甲醇氧化的影响. 结果表明, Ru能够欠电位沉积到Pt表面. Pt表面欠电位沉积少量的Ru 即能大大促进甲醇的氧化.只要控制upd-Ru的沉积量, upd-Ru原子就能大大促进甲醇氧化而与沉积电位无关. Ru原子对甲醇氧化的促进作用与Ru和Pt是否形成合金无关, 而取决于Ru 在Pt表面的百分含量.     

MnO2上氧气第一个电子转移步骤的从头计算研究

采用裸露簇和嵌入簇模型, 对β-MnO₂ (001), (110), (111)三个晶面以及O₂在(110)晶面的单址吸附模式(Pauling和Griffths模式), 进行从头计算. 从β-MnO₂ (001), (110), (111)三个晶面的电子结构差异以及O₂在(110)晶面吸附的吸附能、几何结构、集居数以及净电荷数分析得到: (001), (110), (111)三个晶面中(110)晶面的催化活性最高, 其活性顺序为(110)＞(111)＞(001). 氧气在(110)晶面的吸附, Pauling和Griffths两种吸附模式均存在, 属于化学吸附中的离子吸附. 氧气与MnO₂固体间发生了单电子转移, 氧气得到电子被还原成O₂^-, 转移电子属于整个体系, 具有离域性.     

铂催化甲醇氧化开始步骤的研究

用ab initio和密度泛函(DFT)方法研究甲醇在铂低指数晶面的脱氢步骤. 在经典的Bagotzky模型计算的基础上提出了三种新的吸附脱氢模型, 并通过计算证明了三种模型的可行性, 计算证实了原位波谱法检测到的甲醇在铂上脱氢的三种中间体, CHOH, CH₂OH和CH₃O. 得出了甲醇脱氢的根本原因在于形成的强Pt—H键, 且在Pt不同的晶面上, 催化性能及反应历程、中间产物都不同.     

MnO2上氧气第一个电子转移步骤的从头计算研究

采用裸露簇和嵌入簇模型, 对β-MnO₂ (001), (110), (111)三个晶面以及O₂在(110)晶面的单址吸附模式(Pauling和Griffths模式), 进行从头计算. 从β-MnO₂ (001), (110), (111)三个晶面的电子结构差异以及O₂在(110)晶面吸附的吸附能、几何结构、集居数以及净电荷数分析得到: (001), (110), (111)三个晶面中(110)晶面的催化活性最高, 其活性顺序为(110)＞(111)＞(001). 氧气在(110)晶面的吸附, Pauling和Griffths两种吸附模式均存在, 属于化学吸附中的离子吸附. 氧气与MnO₂固体间发生了单电子转移, 氧气得到电子被还原成O₂^-, 转移电子属于整个体系, 具有离域性.     

TiO2光催化氧化研究进展

探讨了TiO2光催化氧化技术的原理,其研究现状,以及可能提高TiO2光催化氧化效率的途径。采用参考文献18篇。     

Pt-Ni-P/Ti蜂窝状电极的制备及其催化甲醇氧化性能研究

Ti基体上,通过电沉积-置换的方法制备了具有蜂窝状结构的Pt-Ni-P/Ti催化电极.采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对催化剂进行了表征.通过阳极线性伏安扫描法（LSV）、连续循环伏安法（CV）、预吸附单层CO溶出法研究了其甲醇氧化催化活性和抗CO中毒能力.SEM测试结果显示,非晶态Ni-P置换制备的Pt-Ni-P催化剂受“异地溶解-沉积”机理的影响而呈蜂窝状结构,而晶态Ni置换制备的Pt-Ni催化剂受“原位溶解-沉积”机理呈麦粒状.电化学测试结果表明,Pt-Ni-P/Ti电极在碱性介质中的甲醇氧化起始电位和CO氧化起始电位均比Pt-Ni/Ti电极更负,表明P掺杂可以增强Pt-Ni的甲醇氧化催化活性和抗CO中毒能力.     

通过载体提高燃料电池催化剂的稳定性

Pt/C是目前质子交换膜燃料电池使用最广泛的一种催化剂,制约其实际应用的关键技术之一是稳定性,增强燃料电池催化剂稳定性研究一直是该领域的热点. 本文结合作者课题组的研究工作,综述了通过改进载体材料来提高Pt基催化剂稳定性的一些方法,指出采用更稳定的载体材料以及发展与金属催化剂纳米颗粒有强相互作用的载体材料,是增强催化剂稳定性的努力方向.