酸性电解水过程中氧析出反应的机理及铱基催化剂的研究进展北大核心CSCD

可持续能源的迅速发展,使绿色清洁的氢能源成为热点。质子交换膜(PEM)水电解是一项很有前途的技术,可高效生产高纯度氢气。IrO_(2)作为质子交换膜(PEM)水电解槽阳极氧析出反应(OER)的商用电催化剂,既能在强酸性、高强度腐蚀条件下保持稳定,又表现出优异的催化性能。然而,由于Ir的稀缺性和昂贵的价格,提高Ir基催化剂的OER活性,开发低Ir催化剂就显得至关重要。对其反应机理的认知是当前的研究热点之一,也是设计优异的OER催化剂的关键所在。因此,首先从OER机理出发,对目前被广泛认可的吸附物逸出机理(AEM)和晶格氧逸出机理(LOER)两种反应机理进行了研究。随后,根据所提出的这两种机理,介绍了OER催化剂设计的基本准则,即调控Ir基催化剂的电子结构,改善反应中间物种在催化活性位点上的吸附能,从而提高OER催化活性。并从催化剂的结构设计、形貌控制、载体材料3个方面简单概述了最近OER催化剂的研究进展。最后,在已有研究的基础上,提出了目前OER催化剂面临的困难与挑战,这为以后相关的研究指明了方向。     

单原子分散的Ir-N-C燃料电池阳极抗中毒催化剂

燃料电池的阳极抗中毒研究是重要课题,探索具有超高质量活性和抗CO毒化的阳极催化剂具有显著的科学意义和应用价值。本文成功制备了Ir原子级别分散在N掺杂碳的载体上的新催化剂,并且发现该Ir-N-C对甲酸具有良好的电催化氧化性能,其质量比活性为商业Pd/C的48倍。组装了燃料电池单电池进行测试,结果显示,Ir-N-C催化剂在单电池中的质量比功率密度高达281 mW/mg,较商业Pd/C催化剂提升了3倍。同时,Ir-N-C对CO毒化的耐受性大大增强,经过14000 s的长期测试后,其活性仅衰减68%,优于商业Pd/C催化剂（衰减85%）。并且,该催化剂能够简单有效的大批量制备,为单原子催化剂的大批量制备提供了新思路。     

超支化聚合物氮修饰Pd催化剂促进甲酸电催化氧化

通过原位聚合法制备了以超支化聚合物的氮修饰的PdN_x/C催化剂, 并考察了其催化甲酸电氧化反应的性能. 采用透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等技术研究了氮的引入对催化活性组分Pd的形貌及表面电子形态的影响. 结果表明, 修饰氮后Pd纳米粒子粒径可稳定在2 nm, 并且保持了较高的分散度, 改善了表面Pd电子状态. 与Pd/C催化剂相比, 氮修饰的PdN₂₀/C用于甲酸电氧化的Pd单位质量比活性提高了10.9%.     

折叠半模基片集成波导在滤波器和均衡器中的应用

提出了一种数学建模方法用来分析折叠半模基片集成波导(FHMSIW)结构的场分布。基于多线理论首次计算了FHMSIW结构的衰减常数和相位常数,验证其与传统波导和基片集成波导的等效性。提出了FHMSIW结构具有高通特性和带阻特性,同时该结构的上下层具有近似奇对称的性质。通过在FHMSIW结构的中间金属层蚀刻缝隙或者添加金属过孔,就可以实现器件由带通到带阻的性能转换,给出了FHMSIW结构带阻、带通特性的产生和变换机理。利用其独特的性质,分别设计了等效HMSIW四分之一谐振枝节加载的FHMSIW均衡器和FHMSIW带通滤波器,设计的FHMSIW均衡器无需附加额外的馈电机制。测量结果显示出器件具有良好的性能,与仿真结果具有很好的一致性。相比于其他的平面电路,该设计的结构具有小型化、低损耗以及高Q值等优势。     

铜,硫掺杂对铁氮碳氧还原催化剂性能的提升作用

采用FeCl₃·6H₂O，Cu（NO₃）₂·3H₂O，KSCN，氧化BP-2000和三聚氰胺分别作为铁源、铜源、硫源、碳源和氮源，制备了一系列非贵金属氧还原电催化剂.通过透射电子显微镜、X射线粉末衍射、X射线光电子能谱和电感耦合等离子体原子发射光谱等表征了催化剂的形貌和结构，并通过旋转圆盘和旋转环盘测试研究了催化剂的性能，分析了铜，硫掺杂对于催化剂性能的提升作用.结果表明，与铜掺杂相比，硫掺杂能更大幅度地提高催化剂的周转率（TOF），并有效降低过氧化氢产率；同时铜，硫双掺杂的催化剂具有更高的TOF和更低的过氧化氢产率.     

铂基氧还原催化剂在活性和稳定性方面的挑战

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中,由于阴极氧还原反应（ORR）速率缓慢,因此开发高效的ORR催化剂是实现燃料电池商业化的关键. 世界各地的研究人员在提高催化剂活性和耐久性方面做出了不懈的努力. 目前,铂基催化剂仍然是商业应用上的首选,为开发实用的低铂氧还原催化剂,研究人员开展了大量的研究. 本文说明了ORR反应遇到的挑战,并介绍了近年来铂基氧还原催化剂的研究进展,具体包括ORR机理、铂核壳结构、一维纳米Pt催化剂和其他的代表性工作.     

聚吡咯改性炭载Pd催化剂促进甲酸电氧化

直接甲酸燃料电池(DFAFC)阳极活性炭载Pd催化剂活性组分易聚集,分散差且存在炭载体的电腐蚀作用,造成催化活性低稳定性差。 为解决上述问题,本文通过调控炭载Pd催化剂的载体改善催化活性和稳定性。 采用低温化学氧化法制备了聚吡咯(PPy)与活性炭复合材料,在聚合过程中加入活性炭,经过高温热解聚吡咯形成复合碳载体负载Pd催化剂,并表征了热解聚吡咯碳修饰催化剂表面形貌,发现聚吡咯修饰后的催化剂载体表面氮元素以吡咯氮的形式存在,催化剂活性组分Pd纳米粒子可稳定在2.25 nm。 通过甲酸电催化氧化性能测试,结果表明,Pd单位质量比活性比Pd/C催化剂提高了2.5倍。     

采用薄层氮化碳促进的高性能钯基催化剂用于甲酸分解制氢

自第一次工业革命以来,传统的化石能源(煤炭,石油等)一直是能源消费的主体。但是,随着社会的进步和技术的发展,能耗不断增加。但是化石能源不仅储量有限,而且还会引起严重的环境问题(环境污染和温室效应)。因此,清洁和可持续能源的研究与开发尤为重要,氢能是研究的重点之一。由于氢具有高能量密度、清洁和可持续性的特点,因而成为了最有前景的能源载体。然而,氢气的储存和运输困难严重限制了其在质子交换膜燃料电池中的实际应用。作为液态氢存储材料之一,甲酸在催化剂存在下于室温下即可分解。另外,甲酸分解制氢的反应中不会释放有毒有害气体,对环境友好。用于甲酸分解(FAD)的高效催化剂是制氢的关键材料。本文制备了由薄层氮化碳促进的高性能钯(Pd)基催化剂,用于甲酸分解。首先,通过一步法直接煅烧三聚硫氰酸,以获得氮化碳(C₃N₄-S),然后制备以C₃N₄-S为载体的Pd基FAD催化剂(Pd/C₃N₄-S)。在三聚硫氰酸的热解过程中,-SH基团的溢出具有剥离作用,因此形成的C₃N₄为破碎的薄层,具有较大的比表面积和孔体积。由于改善的比表面积和孔体积以及大量的缺陷附着位点,C₃N₄-S载体可以有效地分散Pd纳米颗粒。此外,由于载体和金属之间的电子效应,该载体可以有效地调节催化剂表面上的Pd²⁺含量。因此,Pd/C₃N₄-S表现优异的FAD性能。在30 ℃下,该催化剂可将甲酸有效分解为CO₂和H₂,转换频率(TOF值)和质量比活性分别达到了2083 h^-1和19.52 mol·g^-1·h^-1。并且气相色谱测试结果表明,气体产物中不含CO,表明Pd/C₃N₄-S催化剂具有优异的选择性。另外,Pd/C₃N₄-S催化剂也具有良好的稳定性。经过4次循环测试,催化性能仅下降了不到10%。该研究为研究高性价比、制备方法简单的甲酸制氢催化剂提供了一定的指导作用。     

一种高选择性可调带通与带阻可切换滤波器

设计了一种高选择性可调带通与带阻可切换微带滤波器。在微带谐振器及枝节末端加载变容二极管实现中心频率的可调;在输入与输出端口馈线之间,利用PIN二极管实现滤波器阻带和通带特性的切换。采用奇偶模的方法对滤波器结构进行分析,通过对奇偶模频率的调节实现了频率调节过程中的恒定绝对带宽。同时,在输入与输出馈线间引入源与负载耦合,使得频带两侧各有一个传输零点,且传输零点在整个频率调谐范围内相对位置几乎不变。因此,在整个频率调节范围内,滤波器实现了高选择性及良好的带外抑制能力。最终设计出的可调带阻滤波器的频率调谐范围为5.58～5.89 GHz,绝对带宽80 MHz±5 MHz,阻带衰减优于14 dB;可调带通滤波器的频率调谐范围为5.42～5.79 GHz,绝对带宽120 MHz±5 MHz,插入损耗1.69～2.25 dB,回波损耗优于13 dB。同时,该滤波器具有0.28λ_g×0.62λ_g（λ_g是可调频率范围中心频率的波长）的紧凑结构尺寸。实验和仿真结果一致性较好。     

一种高选择性的可调0.83~2.15 GHz带通滤波器

设计了一种宽频率调节范围的高选择性可调带通滤波器。宽调节范围由一对简单的加载变容管的平行耦合线谐振器设计实现。由于谐振器之间存在电磁混合耦合以及通过加载变容管引入的源与负载频变耦合,该滤波器最终引入了三个自适应性传输零点。而且,三个传输零点在整个调节范围内能够保持相同的相对位置,因此,设计的滤波器实现了在整个宽频率调节范围内的高选择性和良好的带外抑制。同时,在中心频率调节的过程中,通过选择合适的耦合系数,该滤波器可以实现恒定的相对带宽。最终设计出的可调滤波器的调节范围为0.83~2.15 GHz, 可调范围可达88.6%,并保持9%±0.3%的相对带宽不变。测试结果表明该滤波器具备了高选择性和良好的带外抑制能力。