催化剂的孔道限域效应

限域孔道可以调控催化剂的表面电子分布和几何结构,进而影响催化剂的活性、选择性和稳定性.本文结合理论计算和实验方法,从热力学、动力学、几何效应以及电子转移等角度出发,阐明了不同限域体系中催化剂活性组分和反应分子特性的差异,揭示了限域孔道对反应物种扩散、吸附和反应等过程的影响规律,以期为催化剂的微观结构设计和反应性能调控提供借鉴.     

调控单位点M-N-C电催化剂的电子结构提升二氧化碳还原性能

全球的动力来源主要依靠化石能源,然而无节制地开采引起了一系列的能源危机和环境问题,例如,能源枯竭、气温逐年升高、气候恶化和海洋酸化等,这已经威胁了人类的可持续发展,因此寻找可再生能源和减缓二氧化碳的排放成为目前的关键问题,反应条件相对温和的电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)可将CO₂转化为具有工业价值的产品,例如C1、C2和C2+,这是解决“碳中和”的一种有效措施。电催化CO₂RR是一个复杂的多个电子/质子转移过程,反应机理相对复杂,涉及很多反应中间体,影响产物的选择性,CO₂RR的大规模应用需要开发低成本和高效的电催化剂。具有大比表面积、100%的原子利用率、不饱和配位、相对均匀的活性位点的原子分散的金属和氮共掺杂碳(M-N-C)材料是一种很有前途的催化剂。M-N-C材料具有可调变性,通过调节中心金属离子或中心金属离子的配位环境,中心金属离子的电子性质和原子结构将会发生变化,这为设计具有高效催化CO₂性能的催化剂提供了新的途径。因此,探讨在原子水平上调控M-N-C材料的电子...     

利用MOF-253衍生氮掺杂碳限域效应促进Pt纳米单晶电催化剂的氧析出反应

目前,为了有效解决电化学能量转化反应动力学过程缓慢和商业化应用等问题,需要大力提高催化剂的电催化活性和稳定性,并大幅降低贵金属催化剂的用量.通常,铂(Pt)基催化剂对燃料电池的氧还原反应(ORR)和水电解过程的氢析出反应(HER)表现出很高的活性.然而,对于高效的金属-空气电池和水电解装置,其中的氧析出反应(OER)则需要高活性的非Pt电催化剂来降低电化学过电位及提高其对高电位的耐受性.虽然相较于Pt催化剂,IrO2和RuO2等贵金属催化剂表现出了更高的OER活性,然而,它们的稳定性差,难以满足实际应用需求,严重阻碍了其在金属-空气电池和水电解中的应用.通常,Pt对OER的低效催化主要归因于在OER电催化过程中Pt与电解液直接接触,导致Pt表面快速被氧化,形成Pt氧化物(Pt^+4O2和Pt^+2O)层.形成的Pt氧化物对OER不起催化作用,从而降低了Pt的利用率和总的水电解效率.为了避免Pt表面的快速氧化,实现高的OER性能,我们将Pt金属纳米粒子有效地限域在超薄功能多孔碳层内.前期,已有大量的有关金属基ORR和HER催化剂研究证明,这种策略对于稳定金属纳米颗粒非常有效,可有效避免金属催化剂的快速氧化,而且还可抑制金属颗粒迁移和团聚;此外,还有利于增强催化剂的导电性和离子物种的扩散能力,从而提高催化剂的电催化性能.然而,要达到提高金属催化剂OER电催化性能的目的,还需要设计一种具有优良结构的功能化异质原子掺杂多孔碳基限域材料.金属有机框架(MOF),特别是MOF-253,由于具有较高的柔韧性、丰富的孔、可控的几何结构和高比表面积,被认为是制备功能多孔碳基限域材料的理想前驱体.为此,通过结合功能多孔碳基材料的限域作用及MOF-253和超细Pt纳米单晶的优势,本文合成了MOF-253衍生氮掺杂碳(N/C)限域的Pt纳米单晶(Pt@N/C)核壳型电催化剂.制备的Pt-N-C框架不仅具有超薄的氮掺杂活性多孔碳保护层壳体(平均厚度为0.51 nm),还有具高度分散和稳定化的Pt纳米单晶核体;值得指出的是,因受到碳层的限域作用,即使经900℃的高温处理,Pt纳米单晶仍保持了较小的晶体尺寸(平均粒径仅为6.7 nm);此外,该催化剂的Pt载量较低,仅为6.1wt%(Pt@N/C-10).将其作为OER电催化剂,表现出优异的OER性能:在10 mA cm^-2电流密度下,其过电位仅为298 mV,低于商业IrO2催化剂(353 mV);而且,经2000周加速电位扫描后,其电位仅降低19.4 mV,也低于IrO2(23.3 mV).本文很好地证明了通过构建空间限域结构可以有效解决Pt等金属催化剂因表面氧化而导致OER动力学活性和稳定性低的问题.     

沸石分子筛催化剂的“限域”效应

沸石分子筛催化剂因其独特的酸性、规则的孔道结构和良好的水热及化学稳定性被广泛应用于石油化工、煤化工和精细化工等重要领域.沸石分子筛活性位点的数目和分布,以及孔结构效应是沸石分子筛催化科学研究中最根本的问题,直接影响催化反应历程和反应结果.几十年来,沸石分子筛催化研究多集中在对活性位点的基本认识和合成设计,而忽视了活性位...     

利用MOF-253衍生氮掺杂碳限域效应促进Pt纳米单晶电催化剂的氧析出反应（英文）

目前,为了有效解决电化学能量转化反应动力学过程缓慢和商业化应用等问题,需要大力提高催化剂的电催化活性和稳定性,并大幅降低贵金属催化剂的用量.通常,铂(Pt)基催化剂对燃料电池的氧还原反应(ORR)和水电解过程的氢析出反应(HER)表现出很高的活性.然而,对于高效的金属-空气电池和水电解装置,其中的氧析出反应(OER)则需要高活性的非Pt电催化剂来降低电化学过电位及提高其对高电位的耐受性.虽然相较于Pt催化剂,IrO₂和RuO₂等贵金属催化剂表现出了更高的OER活性,然而,它们的稳定性差,难以满足实际应用需求,严重阻碍了其在金属-空气电池和水电解中的应用.通常,Pt对OER的低效催化主要归因于在OER电催化过程中Pt与电解液直接接触,导致Pt表面快速被氧化,形成Pt氧化物(Pt⁺⁴O₂和Pt⁺²O)层.形成的Pt氧化物对OER不起催化作用,从而降低了Pt的利用率和总的水电解效率.为了避免Pt表面的快速氧化,实现高的OER性能,我们将Pt金属纳米粒子有效地限域在超薄功能多孔碳层内....     

纳米限域的储氢材料

氢能作为洁净、理想的二次能源,已受到世界各国的广泛关注。然而,氢的储存技术仍然是制约氢能商业化应用的关键技术。利用储氢材料进行储氢被认为是一种安全、高效的固态储氢方式。因此,开发新型高容量的储氢材料与储氢技术成为氢能领域研究的热点之一。纳米限域是将材料填充到纳米孔道里,利用材料和纳米孔道的相互作用促进反应的进行,为化学反应提供一个独特的微环境。近年来,纳米限域逐渐发展成为改善储氢材料热力学和动力学的新方法。本文综述了纳米限域的储氢材料的研究进展,从纳米限域的储氢材料制备、储氢性能、反应机理和存在的问题等方面进行讨论,并指出了纳米限域储氢材料的发展趋势。     

介电限域效应对SnO_2纳米微粒光学特性的影响

半导体纳米微粒作为一种新兴材料，在声、光、电、磁、热及催化等方面显示出全新的异于体相材料和分子或原子的特性，在理论和实验上已引起。们极大的兴趣I‘，’］．当纳米微粒的尺寸接近或小于激于玻尔半径时，表现出明显的量子尺寸效应，其表现光学能隙变大，一些半导体粒子如CdS，Cdse等纳米微粒的量予尺寸效应已经被人们利用有效质量近似模型做了定性解释。八但是，由于纳米微粒尺寸小，具有相对大的表面积，因而粒子周围的介质可以强烈地影响它们的光学性质【’，‘1．我们采用胶体化学方法，对SnO。阶电常数为13）半导体纳米微粒…     

介电限域效应对SnO2纳米微粒光学特性的影响

It is found that the SnO_2 nanometer particle modified by chemical methods on its surface with a layer of steric acid molecules has a significant red shift of optical absorption band edge and clear photoluminescence at room temperature, which is in contrast with that of bulk SnO_2 and naked SnO_2 nanometer particles. It is concluded that these results are related to the dielectric confinement effects on the SnO_2 nanometer particles surfaces.     

异原子配位结构碳基单原子电催化剂结构与性能相关性的研究进展

单原子催化剂是一类以相互孤立的单个金属原子作为催化活性中心的、 具有高原子经济性及高活性的负载型催化剂, 被广泛应用于能源电催化领域. 近年来, 通过使用两种或两种以上原子与活性中心金属原子配位, 构建具有异原子配位结构的单原子材料, 展现了优异的电催化性能. 研究发现, 这种不对称的配位结构有效调控了中心金属原子的电子结构, 优化了催化反应的吸附和脱附能量, 提高了电催化的性能. 本文综合评述了具有异原子配位结构碳基单原子电催化剂的合成策略、 表征技术与方法, 以及在前沿能源电催化应用中的催化剂性能与结构之间的构效关系, 并展望了异原子配位结构碳基单原子电催化剂的研究前景.     

MOF衍生碳基电催化剂限域催化O2还原和CO2还原反应

化石燃料的大量消耗和环境的逐渐恶化导致迫切需要开发和探索有效的能源转换和存储技术. 电化学是各种能源转换装置的基础和关键. 设计和合成具有高催化活性的非贵金属基和非金属基催化剂是最好的选择. 金属有机骨架(MOF)衍生的碳基材料具有比表面积大、 孔隙率高的特点, 可以选择性地限制不同类型的金属. 因此, MOF衍生碳作为催化剂载体使用时具有良好的限域效应, 有利于提高催化剂的活性和稳定性. 本文综合评述了MOF衍生材料在催化反应中的限域效应, 并介绍了MOF衍生碳基材料在氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO₂RR)电催化方面的最新进展, 揭示了MOF碳基材料在电催化反应中的构效关系. 最后, 讨论了MOF衍生的碳基材料在ORR和CO₂RR电催化中的挑战和机遇, 以及未来可能的解决方案.     

Os(Ⅱ)配合物的电化学性质及其电子能级结构

采用电化学循环伏安法和荧光光谱研究了系列Ｏｓ配合物的电化学性质及分子结构对其电子能级结构的影响。     

Synergistic Effect of Graphdiyne-based Electrocatalysts

The synergistic effect can help improve the electrocatalyst performances by combining the advantages of individual components. In particular, such an effect has been more important in the atomic catalysts. In this review, we have summarized the synergistic effect of N, X co-doping graphdiyne[X=B, S, F or transition metal(TM)] electrocatalysts and graphdiyne-based dual-atom catalyst(GDY-DAC). In general, the synergistic cooperation between two different dopants in co-doped GDY and adjacent active sites in GDY-DAC not only promotes their catalytic activity but also greatly enhances the thermodynamic stability of the catalysts. For the N, X co-doping GDY electrocatalysts, doping the heteroatoms like boron, sulphur, phosphorus, and fluorine with nitrogen can further tune the charge density distribution and electronic structure. Meanwhile, the electron exchange between two doping atoms and GDY substrate has been discussed, where the TM-based GDY-DAC is a very promising catalyst for electrocatalysis. More importantly, electronic interactions between different elements on GDY have been carefully discussed. In the end, we have also supplied perspectives to the future developments of the GDY-based electrocatalysts.     

[Cr2CoO（O2CCH3）6Py3].Py簇合物的分子结构和电子结构

合成并测定了标题化合物的分子结构,Ca空间群,a=2.1933(2)nm,b=1.2447(3)nm,c=1.5912(5)nm,β=117.02(2)°,I＇=3.8679 nm~3,Z=4,最后根据I>3G(I)的2849个独立衍射点的强度数据,把结构精修到R=0.036.在晶体结构测定基础上进行了EHMO计算,以研究其簇骼成键性质,结果表明,该分子虽不存在金属-金属键,但M与μ-O之间除了σ键外,还存在四中心d-ρπ键,它是该类化合物稳定的主要因素。     

噻吩低聚物分子器件电输运特性的理论研究

Based on the first-principles computational method and the elastic scattering Green's func-tion theory, we have investigated the electronic transport properties of different oligothio-phene molecular junctions theoretically. The numerical results show that the difference of geometric symmetries of the oligothiophene molecules leads to the difference of the contact configurations between the molecule and the electrodes, which results in the difference of the coupling parameters between the molecules and electrodes as well as the delocalization properties of the molecular orbitals. Hence, the series of oligothiophene molecular junctions display unusual conductive properties on the length dependence.     

Strategies for Promoting Catalytic Performance of Ru-Based Electrocatalysts towards Oxygen/Hydrogen Evolution Reaction

Ru-based materials hold great promise for substituting Pt as potential electrocatalysts toward water electrolysis. Significant progress is made in the fabrication of advanced Ru-based electrocatalysts, but an in-depth understanding of the engineering methods and induced effects is still in their early stage. Herein, we organize a review that focusing on the engineering strategies toward the substantial improvement in electrocatalytic OER and HER performance of Ru-based catalysts, including geometric structure, interface, phase, electronic structure, size, and multicomponent engineering. Subsequently, the induced enhancement in catalytic performance by these engineering strategies are also elucidated. Furthermore, some representative Ru-based electrocatalysts for the electrocatalytic HER and OER applications are also well presented. Finally, the challenges and prospects are also elaborated for the future synthesis of more effective Ru-based catalysts and boost their future application.     

The adjacent Fe oxidation greatly enhancing OER activity on the Ni active site: S plays the role in optimizing local coordination and electronic structure

Oxygen evolution reaction (OER) is the bottleneck process of water splitting, and finding efficient, durable, low-cost, and earth-abundant electrocatalysts remains a major challenge. Here, FeNi₂-400-S is to be a promising OER electrocatalyst which exhibits a low overpotential of 214 mV at a current density of 10 mA/cm². X-ray analysis indicates that the introduction of S leads to a mismatch in bond distance between the metal-sulfur bond and the metal-metal bond, which can change the local electronic structure and favorably control the electronic oxidation. The active site position of FeNi₂-400-S has been further confirmed by DFT, which the 1OOH can stably adsorb on the Ni site of the oxidized Fe-Ni-S benefitting from the synergetic effect of the Ni site and the adjacent oxidized O on the Fe atom. Our findings demonstrate that the internal reconstruction of catalyst can make the optimization of local coordination and electronic structure, in which the in-situ generated vacancy can enable the outstanding OER performance.     

直接甲醇燃料电池阴极电催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFC)功率密度高，燃料甲醇价格低廉、储存和携带方便，特别适合作为电动车和小型电子设备的电源，是目前燃料电池研究领域的一个热点。本文介绍了40年来DMFC阴极电催化剂的发展历史及现状，并针对目前严重影响DMFC性能的“甲醇透过”问题，阐述了研制耐甲醇阴极电催化剂的重要性，讨论了今后DMFC阴极电催化剂的发展趋势。