三维百合花状的CoNi2S4作为先进的双功能电催化剂用于氢析出和氧析出反应

为简化电解水催化剂的合成过程和优化电解水操作系统, 双功能电解水催化剂的研究, 特别是在碱性条件下同时具有优异催化氢析出和氧析出反应性能的双功能电催化剂的研究尤为重要. 其中, 过渡金属硫化物, 特别是 CoNi 硫化物, 被报道有与氢化酶类似的催化活性中心, 从而具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能. 虽然有关对过渡金属硫化物的研究很多, 但主要集中在具有一维纳米线和二维纳米片形貌结构的过渡金属硫化物. 不幸的是, 这些形貌结构的过渡金属硫化物在电催化过程中容易聚集和受限于电荷传输能力. 三维纳米结构的材料具有较大的比表面积以分布更多的活性位点和拥有良好的电子传输能力, 所以, 开发三维纳米结构的过渡金属硫化物材料可能是改进其催化电解水性能的一个好途径. 本文采用简单的两步水热法, 通过硫化合成的 CoNi 前体得到了长于泡沫镍上的三维百合花状的 CoNi2S4(Co-Ni2S4/Ni). 它只需要 54 mV 的过电位即可获得 10 mA cm-2的催化氢析出反应电流, 是最好的碱性催化氢析出反应电极材料之一. 它在驱动 100 mA cm-2的催化氧析出反应电流时也只需要 328 mV 的过电位. 另外, 把 CoNi2S4/Ni 分别作为阴极和阳极组装成双电极碱性水电解槽时, 它只需要 1.56 V 的电压即可获取 10 mA cm-2的催化全电解水电流并具有良好的催化全电解水稳定性.扫描电子显微镜、透射电子显微镜和 N2吸脱附曲线测试结果表明, 该三维百合花状的 CoNi2S4/Ni 的表面粗糙度高和拥有多孔特性. 多孔结构的 CoNi2S4/Ni 可提供更多可接触的催化活性位点, 也有利于催化过程中的电解质和生成的气体的扩散与传递. 交流阻抗图谱测试结果表明, CoNi2S4/Ni 具有良好的电子传输能力. 另外, 不同于前期对尖晶石结构的硫化物 AB2S4的研究结果, XPS 结果表明, CoNi2S4/Ni 中含有 Niб+和 Sб-活性物种, 表明 CoNi2S4具有与活性氢化酶类似的活 性中心. Niδ+和 Sδ-可分别作为氢氧根和质子的接收体, 协助促进吸附的水分子的分离, 从而提高材料的催化性能. 所以, Niδ+和 Sδ-活性物种的出现, 大比表面积的三维百合花状多孔结构和良好的电荷传输能力等特性集合于 CoNi2S4/Ni 上使得CoNi2S4/Ni 具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能.     

层状过渡金属氢氧化物应用于碱性氢气析出反应（英文）

氢气因为其高质量比活性,环境友好等特点,被公认为是一种很有希望替代化石能源的可再生能源.其中,碱性条件电解水被认为是可大规模生产氢气的技术之一.但氢气析出反应在碱性条件反应速率缓慢,为提升氢气析出反应速率,因此研究者们设计和制备了大量的材料.本文归纳了有效促进碱性条件氢气析出反应速率的关键材料——层状过渡金属氢氧化物的重要研究进展.首先,基于过渡金属氢氧化物的结构,阐述了过渡金属氢氧化物与氢气析出反应活性材料间的协同催化机理.接着,以提升协同催化作用为中心,归纳了基于过渡金属氢氧化物的氢气析出反应催化剂和电极的最近研究进展,分别包含过渡金属氢氧化物和氢气析出反应活性材料的种类、结构、形貌及其相互作用.此外,本文从高活性和长寿命的催化剂和电极设计出发,归纳了最近基于过渡金属氢氧化物的催化剂和电极在水分解领域的进展.最后,本文总结和展望了电解水制氢技术的未来应用和发展中不可避免的一些问题与挑战.目前,应用于氢析出反应的过渡金属氢氧化物主要集中于镍基、钴基和铁基氢氧化物和其双金属氢氧化物,为层状水滑石结构.因为上述过渡金属氢氧化物弱的氢吸附,所以其析氢活性非常低.但是过渡金属氢氧化物对氢氧根...     

水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展

氢能作为零碳排放能源是被公认的最清洁能源之一,如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的问题。电解水技术基于电化学分解水的原理,利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气,被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而,无论是光解水还是电解水,均需要高活性、高稳定性的非贵金属氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。本文介绍了我们研究所近三年在水电解方面的研究进展,其中着重介绍了：（ⅰ）氢析出催化剂,包括利用低温磷化过渡金属（氢）氧化物的方法制备过渡金属磷化物,同时过渡金属硫化物、硒化物以及碳化物等均被成功合成并被应用为有效的阴极析氢催化剂;（ⅱ）氧析出催化剂,主要包括金属磷化物、硫化物、氧化物/氢氧化物等;（ⅲ）双功能催化剂,主要包括过渡金属磷化物、硒化物、硫化物等。最后,总结展望了发展水电解非贵金属催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

载Ni超稳Y型沸石的XPS研究

本文用XPS研究了载Ni超稳Y型沸石上Ni~(2+)的还原作用.结果表明,于450℃用氢还原仍有明显数量的Ni~(2+)没有被还原.当试样经氢还原或热处理后,NiHUSY沸石的表面(Ni/Si)_s值增加.表面金属Ni与异辛烷临氢裂化及其产物分布有密切关系,随着Ni~(2+)还原程度提高,异辛烷临氢裂化活性显著增加,二次裂化反应减少,“焦”的前躯产物(不饱和烃)含量大大降低.     

CoNi_2S_4上电沉积NiS用于柔性固态非对称超级电容器（英文）

采用一种在CoNi_2S_4上电沉积NiS的有效方法来改善钴/镍硫化物的性能。CoNi_2S_4@NiS电极材料在1 A·g~(-1)时比电容达到1 433 F·g~(-1),并具有很好的倍率性能。CoNi_2S_4@NiS和还原氧化石墨烯组装成的柔性固态非对称超级电容器的能量密度在功率密度为800 W·kg~(-1)时达到36.6 Wh·kg~(-1),并且在10 000次充放电后表现出良好的循环性能,循环保持率达87.8%。     

3d过渡金属氧化物/氢氧化物氧析出电催化DFT研究进展

氧析出(OER)是电解水、空气电池充电等电化学能量转换与储存过程中的关键反应.从原子尺度上认识反应机理和构效关系是高效OER电催化剂设计与应用的基础.本文概述密度泛函理论(DFT)在3d过渡金属(Mn、Fe、Co、Ni)氧化物及氢氧化物OER电催化材料中的研究进展,介绍DFT+U方法研究晶体结构变化、元素掺杂、缺陷形成及基底装载对催化性能的影响,总结催化剂性能提升策略,并讨论DFT+U方法在3d金属氧化物催化剂的设计和改良中的研究发展方向.     

硫掺杂镍铁层状双氢氧化物的氧析出电催化性能（英文）

氧析出反应(OER)是裂解水、二氧化碳还原、以及可充电的锌空电池等许多技术中重要的半反应,但受限于其迟缓的反应动力学,开发高效的氧析出催化剂迫在眉睫.在OER出反应中,性能较好的非贵金属催化剂主要是第四周期过渡金属的一些化合物,如氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等等.在这些材料中,镍铁双金属化合物被认为是最优的氧析出材料,尤其是镍铁层状双氢氧化物(Ni Fe-LDHs)它拥有较大的电化学活性面积以暴露较多活性位点,同时镍铁两种过渡金属元素存在协同效应,使得其具有良好的催化性能.然而,这一类材料的OER性能仍然有优化的空间.研究表明,将硫化物氧化得到的氢氧化物会有少量的硫元素残留,这种硫残留的氢氧化物拥有十分优异的OER性能.为了进一步认识硫的引入对Ni Fe-LDHs的OER行为的影响,本文通过水热法合成了硫掺杂的Ni Fe-LDHs,考察了硫的掺杂量对催化剂性能的影响,验证了微量硫的存在对Ni Fe-LDHs的OER性能的贡献.扫描电镜图片显示,水热合成的催化剂是厚度为几十纳米的薄片,拥有较高的比表面积, X射线荧光光谱分析证明合成的硫掺杂Ni Fe-LDHs中镍铁的元素比例...     

"三明治夹心"型Ni-P@Ni-B/Ni电极的制备及高效全pH下的催化制氢性能

通过化学镀法制备了具有“三明治夹心”结构的Ni-P@Ni-B/Ni催化电极. 该催化材料为直径1 μm左右的微球. 电化学性能测试结果表明, 在电流密度为10 mA/cm ²时, 其在0.5 mol/L PBS缓冲液(pH=7)中的过电位仅为287 mV, 在此电位下连续工作24 h后, 电流密度仅衰减了7.6%. 同时Ni-P@Ni-B/Ni在酸性(0.5 mol/L H₂SO₄)和碱性(1 mol/L KOH)条件下也具有优异的析氢反应催化活性, 达到相同电流密度时过电位分别为199和79 mV. 该工作为全pH环境下高效电解水制氢提供了新思路.     

水电解析氢低贵/非贵金属催化剂的研究进展

氢气作为能量载体的氢能技术由于其清洁性、高能量密度等优势已获得越来越多的青睐与关注. 其中,可持续的产氢技术是未来氢能经济发展的必要先决条件. 通过可再生资源电力驱动的电解水技术是支持氢能经济可持续发展的重要途径,高活性、低成本的析氢催化剂的开发利用是提高水电解技术效率并降低其成本的关键因素. 本文主要介绍了近年来包括低铂催化剂和金属硫化物、金属磷化物、金属硒化物等非铂过渡金属催化剂在析氢方面的研究进展,详细讨论了析氢反应的催化性能、合成方法以及结构?鄄催化性能的关系,最后总结展望了水电解低铂及非铂过渡金属催化剂在未来发展过程中所面临的机遇与挑战.     

三元NiS/CQDs/ZnIn2S4光催化体系的合理设计及其产氢性能

氢气是一种清洁能源,利用半导体光催化技术将水转化成氢气是解决全球能源危机和环境污染问题的有效途径之一.开发高效的光催化体系以实现水分解产氢是目前能源领域中的一个研究热点.六方相的ZnIn_2S_4 是一种三元金属硫化物,因其具有能够吸收可见光的窄带隙(约2.4 eV)和良好的化学稳定性,在光催化产氢方面得到了较好应用.在半导体光催化产氢体系中,往往需要加入助催化剂来提供产氢活性位并降低产氢反应的过电位,这种半导体/助催化剂体系中光催化产氢效率不仅取决于助催化剂的组成和结构,还受二者界面之间光生电子传输效率的影响.我们课题组前期研究发现,NiS作为一种廉价的非贵金属助催化剂能够提高ZnIn_2S_4 在可见光下的光催化产氢活性.考虑到碳量子点(CQDs)是一种具有良好导电能力的纳米材料,并已被负载于半导体光催化剂上来促进半导体表面光生电子的传输,本文将CQDs作为光生电子传输的"桥梁"引入到NiS/ZnIn_2S_4 体系中,用来促进光生电子从ZnIn_2S_4 到NiS的定向传输,从而提高其光催化产氢效率.实验首先合成Ni S/CQDs复合材料,然后在其存在下进行ZnIn_2S_4 的自组装制得Ni S/CQDs/ZnIn_2S_4 .利用X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、傅立叶红外光谱、X射线光电子能谱和紫外-可见漫反射光谱对催化剂的组成、结构及光学性质进行了详细表征,考察了其在可见光下以三乙醇胺(TEOA)为牺牲剂时的光催化分解水产氢性能.结果表明,含有CQDs的NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 光催化剂在光照5 h后的产氢总量达到142μmol,分别为相同条件下ZnIn_2S_4 和NiS/ZnIn_2S_4 产氢总量的5.5和1.6倍.相比于通过将Ni S沉积在预先合成的CQDs/ZnIn_2S_4 上所获得的CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 光催化剂, NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 显示出更优越的光催化产氢活性.TEM观测发现,在NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 中CQDs与ZnIn_2S_4 和NiS均有明显的接触,表明CQDs作为"桥梁"连接了ZnIn_2S_4 和NiS,这种结构有利于光生电子由ZnIn_2S_4 至NiS定向传输.而CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 光催化剂中的CQDs和NiS没有直接接触.电化学交流阻抗实验发现, NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 中电子的传导能力比CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 中的强,说明相比于CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 ,在NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 中的CQDs更有效地促进了光生电子由ZnIn_2S_4 至NiS定向传输.该研究提供了一种以CQDs作为促进光生电子定向传输的"桥梁"来构筑高效产氢光催化体系的方法.     

过渡金属硫化物催化剂催化加氢作用机理

负载型过渡金属(Co、Mo、Ni、W)硫化物催化剂广泛应用于石油炼制催化加氢过程.为了开发高性能的加氢催化剂,过渡金属硫化物催化剂催化活性相的结构与加氢脱硫性能的关系一直以来是催化研究的热点之一.本文从过渡金属硫化物催化剂的活性相结构和反应物在催化剂表面活性位上的吸附-催化反应机理两个方面阐述了过渡金属硫化物催化剂的催化作用研究进展,并对过渡金属硫化物催化剂催化机理研究存在的争议和未来的研究方向进行了分析.     

过渡金属硫化物催化剂催化加氢作用机理

负载型过渡金属(Co、Mo、Ni、W)硫化物催化剂广泛应用于石油炼制催化加氢过程.为了开发高性能的加氢催化剂,过渡金属硫化物催化剂催化活性相的结构与加氢脱硫性能的关系一直以来是催化研究的热点之一.本文从过渡金属硫化物催化剂的活性相结构和反应物在催化剂表面活性位上的吸附-催化反应机理两个方面阐述了过渡金属硫化物催化剂的催化作用研究进展,并对过渡金属硫化物催化剂催化机理研究存在的争议和未来的研究方向进行了分析.     

负载于三维镍网上的磷化钴纳米珠链阵列的高效水电解性能研究

研究廉价且高效的水分解电催化剂对于氢能源的开发利用具有重要意义,过渡金属磷化物是最有前景的水分解双功能电催化剂之一。本研究采用先水热法,再低温磷化的简单的两步合成法,在三维镍网上生长CoP纳米珠链阵列,所生成的镍网(Nickel foam,NF)负载CoP纳米珠线阵列(CoP/NF),具有规则的形貌、较大的比表面积,在碱性条件下对氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER)都表现出良好的电催化性能。在电流密度达到10 mA/cm~2时的过电位分别为280 mV(OER)及95 mV(HER)。利用此CoP/NF复合材料组成的双电极体系可以有效电解水,在电流密度为10 mA/cm~2时所需的施加电压仅为1.63 V,并且表现出非常高的稳定性。     

离子交换蒙脱石液相催化氧化脱硫的研究

硫化物的存在常常引起催化剂中毒、金属设备腐蚀或者严重的环境污染。近年来,藉磺化酞菁钴等的催化氧化作用虽然已成功地将S~(2-)转化成了基本无害的SO_4~(2-)、S_2O_3~(2-)和单质硫,但催化剂活性不够稳定且成水偏高,因而此种脱硫办法在实际应用中受到较多限制。     

纳米多孔Ni、Ni3S2/Ni复合电极的制备及其电催化析氢性能

采用脱合金化和水热合成的方法制备纳米多孔Ni和纳米多孔Ni₃S₂/Ni复合电极。通过N2吸附-脱附测试、XRD、SEM、TEM等方法表征电极的孔径分布、物相和微观结构。在1 mol·L^-1的NaOH溶液中,运用线性扫描伏安(LSV)曲线、交流阻抗(EIS)谱图、恒电流电解法等测试电极的电催化析氢性能。结果表明:在电流密度为50 mA·cm^-2时,与纳米多孔Ni相比,Ni₃S₂/Ni合金具有更低的析氢过电位以及更高的析氢活性,同时纳米多孔Ni₃S₂/Ni复合电极具有更低表观活化能和电子转移阻抗,进一步明确了过渡金属硫化物对电催化析氢性能的特殊贡献。     

模型炭催化加氢气化反应特性研究

在加压热天平中研究了活性炭/烟煤半焦/无烟煤半焦等模型炭催化加氢气化(CHG)的特性,并结合GC、BET等表征对炭的物理结构和化学反应过程的分析,初步获悉了Co对炭-氢反应的催化作用过程.结果表明,炭CHG过程中过渡金属(Fe、Co、Ni)的催化活性明显高于碱金属和碱土金属(K、CaO、MgO),过渡金属催化过程存在低...     

过渡金属硫化物催化剂催化加氢作用机理

负载型过渡金属(Co、Mo、Ni、W)硫化物催化剂广泛应用于石油炼制催化加氢过程。为了开发高性能的加氢催化剂,过渡金属硫化物催化剂催化活性相的结构与加氢脱硫性能的关系一直以来是催化研究的热点之一。本文从过渡金属硫化物催化剂的活性相结构和反应物在催化剂表面活性位上的吸附-催化反应机理两个方面阐述了过渡金属硫化物催化剂的催化作用研究进展,并对过渡金属硫化物催化剂催化机理研究存在的争议和未来的研究方向进行了分析。     

过渡金属甲基磺酸盐催化醇的四氢吡喃化反应

以过渡金属甲基磺酸盐［Mn(CH₃SO₃)₂·2H₂O, Cu(CH₃SO₃)₂·4H₂O, Co(CH₃SO₃)₂·4H₂O和Zn(CH₃SO₃)₂·4H₂O］为催化剂,在室温条件下催化醇的四氢吡喃化反应,并对反应条件进行了优化。结果表明：当醇用量为30 mmol,醇和3,4-二氢吡喃摩尔比为1.0 ：1.1,甲基磺酸盐用量为1 mmol,二氯甲烷20 mL时,可高效催化醇的四氢吡喃化反应。与路易斯酸催化活性相比,过渡金属甲基磺酸盐催化醇的四氢吡喃化反应效果最好,催化酚的效果较差。用Mn(CH₃SO₃)₂·2H₂O和Cu(CH₃SO₃)₂·4H₂O催化正丁醇的四氢吡喃化反应,重复使用5次,收率分别为89%和92%。     

硫掺杂镍铁层状双氢氧化物的氧析出电催化性能

氧析出反应(OER)是裂解水、二氧化碳还原、以及可充电的锌空电池等许多技术中重要的半反应,但受限于其迟缓的反应动力学,开发高效的氧析出催化剂迫在眉睫.在OER出反应中,性能较好的非贵金属催化剂主要是第四周期过渡金属的一些化合物,如氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等等.在这些材料中,镍铁双金属化合物被认为是最优的氧析出材料,尤其是镍铁层状双氢氧化物(Ni Fe-LDHs)它拥有较大的电化学活性面积以暴露较多活性位点,同时镍铁两种过渡金属元素存在协同效应,使得其具有良好的催化性能.然而,这一类材料的OER性能仍然有优化的空间.研究表明,将硫化物氧化得到的氢氧化物会有少量的硫元素残留,这种硫残留的氢氧化物拥有十分优异的OER性能.为了进一步认识硫的引入对Ni Fe-LDHs的OER行为的影响,本文通过水热法合成了硫掺杂的Ni Fe-LDHs,考察了硫的掺杂量对催化剂性能的影响,验证了微量硫的存在对Ni Fe-LDHs的OER性能的贡献.扫描电镜图片显示,水热合成的催化剂是厚度为几十纳米的薄片,拥有较高的比表面积, X射线荧光光谱分析证明合成的硫掺杂Ni Fe-LDHs中镍铁的元素比例为4:1,而且硫的掺杂量并不影响催化剂的形貌和其中镍铁元素比.X射线光电子能谱分析表明,硫原子的引入使得铁原子结合能降低,即硫与铁的相互作用部分降低了铁的价态,这种硫和铁的相互作用能够优化OER反应中间体OH*与O*在铁活性位点上的吸附自由能,降低氧析出反应的过电势.电化学测试表明,拥有0.43%的硫掺杂Ni Fe-LDHs拥有最好的氧析出性能, 10 m A cm^-1下超电势仅有257 m V, Tafel斜率61.5 m V dec^-1.此后,随着硫掺杂量的提升,其性能先保持稳定,随后有所下降.在稳定测试中,硫掺杂的镍铁层状双氢氧化物在10 m Acm-1电流密度下循环30 h后过电位仅衰减14 m V.在对稳定性测试后的催化剂进行表征表明,催化剂发生了轻微了变形,但这对性能的影响不大.综上,本文提供了一种简便的通过非金属元素掺杂调控过渡金属氧化物的结构和电子态的方法,有望为设计高活性OER电催化剂提供新思路.     

单过渡金属配位磷钨酸铵盐的合成及其催化环己酮氨肟化

以磷钨酸和过渡金属盐在pH值为4.0~5.0的条件下合成了4种具有Keggin结构的单过渡金属配位磷钨酸铵盐NH4MPW11(M=Zr2+,Co2+,Ni2+,Cu2+),通过红外、紫外、热重、X射线衍射、循环伏安法等技术对这类杂多化合物的结构和性质进行了表征,并考察了它们在环己酮氨肟化反应中的催化性能.结果表明:单过渡金属配位的磷钨酸铵盐NH4MPW11(M=Zr2+,Co2+,Ni2+,Cu2+)具有典型的Keggin结构,过渡金属离子配位后,热稳定性和氧化性增强;在催化环己酮氨肟化反应中,NH4MPW11的催化性能低于单缺位磷钨酸铵盐(NH4PW11),其中NH4ZrPW1 1为催化剂,性能优于M=Co2+,Ni2+,Cu2+的催化剂,环己酮的转化率达到85.1%,环己酮肟的选择性达到92.1%,而NH4CuPW11的催化性能则下降显著;H2O2的分解实验表明,过渡金属配位的磷钨酸铵盐对H2O2分解均存在一定的促进作用,分解能力随过渡金属种类而变化,其中NH4CuPW1 1对H2O2的分解率高达72.3%,这是造成过渡金属配位的磷钨酸铵盐在环己酮氨肟化反应中催化性能下降的主要原因;回收催化剂的红外和XRD表征表明,氨肟化反应后的NH4MPW11保持了Keggin型的一级结构,但二级结构遭到一定程度的破坏.