单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用（英文）

自2011年张涛院士等首次提出单原子催化剂(SACs)概念以来,单原子催化迅速成为研究热点.SACs具有最大的原子利用率、独特的结构和性能,因而在催化领域具有很好的应用前景,备受关注.本文首先介绍了基于自下而上和自上而下合成策略的各种SACs制备方法以及近年来相应的研究进展,其中包括浸渍法、共沉淀法、原子层沉积法等较为传统的催化剂合成策略,以及缺陷设计法、空间限域法和火焰喷雾热解法等新方法,并详述了这些制备方法在实际应用中的优缺点.对于电催化原理分析方面,较详细地介绍了各电化学能源转换领域相关催化反应的理论计算结果以及各催化反应相应的原理与途径.然后重点介绍了含贵金属(Pt, Pd, Ir等)和非贵金属(Fe,Cu,Co等)的SACs在析氧反应、析氢反应、氧还原反应、CO2还原反应和氮还原反应中的电催化应用.最后讨论了SACs的应用前景和未来面临的挑战:(1)深入进行SACs制备方法的研究,提高合成策略的实际应用可行性以推进催化剂的工业化进程;(2)提高SACs中金属负载量,以提升其催化性能;(3)结合理论计算,增强对SACs配位环境、电子结构的精确控制,进而优化催化剂的催化性能;(4...     

基于金属有机框架化合物纳米电催化剂的研究进展

金属有机框架化合物具有比表面积大、孔隙率高、结构有序可控等特点,近年来作为电催化材料在电化学能源储存和转化应用中备受关注。本文从金属有机框架化合物作为前驱体制备电催化剂的独特优点入手,总结了目前该类材料在电催化领域的最新研究进展,并对其今后的发展趋势以及面临的机遇和挑战进行了简单的展望。     

过渡金属碳氮化物在电催化领域的应用:改性和杂化（英文）

化石能源过度消耗导致的环境污染问题使发展绿色可持续替代能源成为人们需要面对的重要问题.寻找绿色高效的方法生产可再生燃料是一个有效的策略,在减少二氧化碳排放的同时可满足能源需求.电催化是一种实现清洁能源的重要途径,可将地球上含量丰富的H₂O, N₂, CO₂和O₂等转化为燃料和化合物.尽管贵金属Pt, RuO₂等具有优异的电催化性能,但由于成本高、储量少限制了其大规模应用,因此开发一种高活性且低成本的电催化剂是实现大规模应用的关键.由于具有独特的形貌和电子结构,石墨烯,黑磷和二硫化钼等二维材料已经在电催化领域得到了广泛应用.作为一种新型的二维材料,碳化物、氮化物和碳氮化物(MXenes)不仅具有良好的机械性能和大比表面积,其较好的导电性和基底面上丰富的活性位点在促进可持续能源发展方面发挥了更重要的作用.自MXenes首次被用于析氢反应(HER)以来,大量的工作预测并合成了具有多种元素的MXenes及其复合材料,并用于电催化反应.本文从理论和实验两方面综述了基于MXenes在HER...     

氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷共掺物与 Co3O4之间的协同作用.对于 ORR, Co3O4/NPC的催化效率与商用 Pt/C相近,它们的扩散极限电流密度分别为–4.49和–4.76 mA/cm2(E =–0.80 V).在 ORR过程中, Co3O4起到主要的催化作用.采用计时电流(电流-时间)法评估了催化剂的稳定性.经6 h测定,对于 OER, Co3O4/NPC剩46%电流;而对于 ORR,剩95%电流.整体而言, Co3O4/NPC在 OER和 ORR中都表现出高的催化效率以及良好的稳定性.     

泡沫铜基底原位生长的铜基导电金属有机框架作为双功能电催化剂

以泡沫铜为基底生长氢氧化铜纳米线,通过原位转化合成二维导电金属有机框架(MOF)材料Cu_3HITP_2(HITP=2,3,6,7,10,11-六氨基三亚苯)作为双功能催化剂,可直接用作析氧及氧还原反应的工作电极,而无需使用额外的基底或粘合剂,且无需后续热处理。研究发现以氢氧化铜纳米线为模板的Cu_3HITP_2表现出了更大的电化学比表面积,这种新型的电极可在碱性溶液(0.1和1.0 mol·L~(-1) KOH)中可以稳定运行,析氧反应中在电流密度达到10 mA·cm~(-2)时的过电位仅为1.53 V,超越了商业二氧化钌的催化性能。此外,该催化剂在氧还原反应中的半波电位达到0.75 V,优于大多数MOF材料。     

P修饰提高Fe-N-C的氧反应活性用于高稳定的锌-空气电池（英文）

生物质碳基材料具有可调的微观结构、丰富的表面活性中心、优良的导电和导热性能以及较大的比表面积,已经成为新能源领域的重要基础材料.然而,应用于锌-空气电池中时,碳基材料高电位下的碳腐蚀问题严重影响了电池的稳定性,因此,开发具有低过电位的析氧反应(OER)催化剂来降低充电电压是解决该问题的关键.本课题组采用一种低温磷化策略制备了具有低OER过电位的P修饰的Fe₃O₄/Fe₂N和生物质碳复合催化剂(P-Fe₃O₄/Fe₂N@NPC),其具有较好的双功能氧反应活性,氧还原反应(ORR)的半波电位为0.86 V,仅需要280 m V的OER过电位就可以达到10 m Acm^-2的电流密度.以P-Fe₃O₄/Fe₂N@NPC作为正极组装的锌-空气电池表现出低的充放电电压差和长期稳定性,在目前报道的碳基催化剂应用于锌-空气电池中具有很大优势.此外,采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光...     

融"有机""无机"知识于一体--讲好"乙醛"

“乙醛”这节课的重点是乙醛的还原性。由于学生脑海中存在的是以往在无机化学中从电子得失和化合价升降来分析氧化还原的概念,现在又陡然转到从得失氢(或得失氧)的角度来看待有机物的氧化还原反应,感到很不适应,有些茫然,特别是感到乙醛的银镜反应的离子方程式难记。因此,讲好乙醛的还原性也就同时成了这节课的“难点”。     

氧空位和磷掺杂协同增强铁钴基材料电解水催化性能

为了研发高效、稳定的电解水催化剂,我们以氧空位和磷掺杂为基础,通过原位浸泡生长和两步热处理的方法,在泡沫铁上合成具有氧空位和磷掺杂的纳米花结构作为析氢反应(HER)和析氧反应(OER)双功能电催化剂。CoFe₂O₄已被报道为一种很有前途的OER和氧还原反应(ORR)电催化剂,然而CoFe₂O₄在HER中表现出电导率差、电催化反应慢的特性。CoFe₂O₄中氧空位(Ov)的形成可以有效调控催化剂表面的电子结构,有助于产生更多的缺陷和空位,从而提高OER的活性。随后,引入磷原子填充在空位中,制备的P-Ov-CoFe₂O₄/IF在碱性电催化测试中展现出优异的HER和OER性能,在10 mA·cm^-2电流密度下HER和OER过电位仅为54和191 mV,Tafel斜率分别为57和54 mV·dec^-1,并具有良好的循环稳定性。     

表面富集的超小铂纳米颗粒耦合缺陷磷化钴用于高效的电催化水分解和柔性锌空气电池（英文）

开发多功能的纳米电催化剂可以提高单位催化剂表面活性密度.本课题组采用热解和还原工艺制备了具有多功能电催化性能的超小铂纳米颗粒耦合缺陷CoP的纳米材料(Pt/d-CoP/NPC),它具有较高的氧还原反应(ORR)半波电位(0.82 V).所合成的Pt/d-CoP/NPC电催化剂具有良好的电催化析氢反应活性,当反应活性达到10 mA cm^-2时,过电位分别为33 mV@1mol/L KOH, 10 mV@0.5 mol/L H₂SO₄和70 mV@1 mol/L PBS.Pt/d-CoP/NPC催化剂还表现出较好的析氧反应活性.以合成的催化剂Pt/d-CoP/NPC作为电极组装的全解水装置和可充电锌空气电池具有良好的活性和稳定性,可以持续有效地驱动全解水产氢,在存储可再生能源方面的具有较好的应用潜力.采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱测试和傅里叶红外光谱测试(FTIR)等技术研究了Pt颗粒与CoP之间的相互作用,并利用密度泛函理论(DFT)计算研究了催化剂的ORR反应机制.Pt/d-CoP/NPC在129.3 (2p<...     

非水系二次锂-氧电池正极

非水系二次锂-氧电池(NRLOB)在当前所研发的二次电池中理论能量密度最高,但存在循环性能差,充、放电电流密度低等显著问题;这些问题主要同其氧正极上的电化学反应相关,关键在于过氧化锂Li₂O₂可逆生成、分解反应能否在较高的速率下连续地进行。本文综述了近年来NRLOB正极电化学反应机理、正极碳材料、催化剂和电极结构、电解液分解导致电极副反应等方面的研究现状;归纳了今后需要进一步研究的主要问题。     

高效氧催化反应中的金属有机骨架材料（英文）

氧电催化反应包括氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER).作为核心电极反应,这两个反应对诸多能源存储与转换技术(比如燃料电池、金属空气电池以及全水分解制氢等)的能量效率起决定性作用.然而,ORR和OER涉及多个反应步骤、多个电子转移过程以及多相界面传质过程.这些复杂的过程较大程度上限制了ORR和OER的反应速率.从理论和实践两个方面来看,ORR和OER都需要高效电催化剂的参与来促进其反应速率,从而能够最终提高上述能源存储与转换技术的能量转换或利用效率.目前,以Pt,Pd,Ir,Ru为代表的贵金属基电催化剂具有十分突出的电催化性能.但是,过高的成本和过低的储量始终制约着贵金属基电催化剂在催化ORR和OER反应方面,乃至在能源存储与转换技术领域的规模化应用.因而,开发高效非贵金属基氧电催化剂成为近年来能源存储与转换领域的研究重点之一.在众多已经报道的非贵金属基氧电催化剂中,金属有机骨架材料(MOFs)备受瞩目.MOFs是一类由有机配体和金属节点通过配位键自组装而成的晶态多孔材料.它们具备超高比表面积、超高孔隙率以及规则性纳米孔道.相比较其他传统的多孔材料(比如活性炭、分子筛、介孔炭、介孔氧化硅等),MOFs最主要的优势在于它们的结构和功能可以依据需求通过选择合适的有机配体和金属节点进行便利地设计,或通过后处理进行必要的改性和调节.基于独特的多孔特性以及结构与功能的可设计、可调节性,MOFs在气体分离与存储、异相催化、化学传感、药物输送、环境保护以及能源存储与转化等领域都具有潜在的应用价值.因而,近年来,MOFs备受基础研究领域和工业界的青睐.针对MOFs开展的基础研究和应用开发逐渐成为诸多领域的研究焦点.也正由于MOFs具有的上述优异特性,尤其是结构与功能的可设计、可调节性,使得设计制备基于单纯MOFs以及MOFs衍生材料成为开发高效非贵金属基氧电催化剂的新途径.本综述首先论述了基于单纯MOFs的氧电催化剂(包括纯MOFs、活性物种修饰的MOFs以及与导电材料构成的复合MOFs)的合成以及它们在ORR或OER催化反应中应用的研究进展.在第二部分论述中,本综述主要针对MOFs衍生的各类氧电催化剂(包括无机微米-纳米结构/多孔碳复合材料、纯多孔碳材料、纯无机微米-纳米结构材料以及单原子型电催化材料)的研究进展进行了简要介绍和讨论.最后,本综述对MOFs基氧电催化剂目前存在的挑战进行了简要分析;同时,也对这类氧电催化剂的通用设计准则以及未来发展方向进行了展望.尽管存在诸多挑战,MOFs始终被认为是极好的"平台"材料.充分利用它们将有利于开发高效且实用的非贵金属基氧电催化剂.     

导电MOFs在能源转化中的应用

可再生能源供应方案包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR)等多种反应,电催化剂对这些反应至关重要。到目前为止,已有一系列导电MOFs作为与能源相关电催化电极材料的报道。本文从提高MOFs导电能力和对产物的选择性、增强MOFs的化学稳定性及增加MOFs的反应活性位点等方面介绍了导电MOFs作为电催化剂的设计策略,重点综述了其在能源转化涉及的HER、OER、ORR以及CO2RR方面的应用,并从材料制备和应用需求角度出发, 对高性能导电MOFs材料在电催化领域所面临的挑战和前景进行了展望。     

Atomically Dispersed Fe on Nanosheet-linked,Defect-rich,Highly N-Doped 3D Porous Carbon for Efficient Oxygen Reduction

Exploring cost-effective and high-performance oxygen reduction reaction(ORR) electrocatalysts to replace precious platinum-based materials is crucial for developing electrochemical energy conversion devices but remains a great challenge. Herein, Fe single atoms anchored on nanosheet-linked, defect-rich, highly N-doped 3D porous carbon(Fe-SAs/NLPC) electrocatalysts were obtained by pyrolyzing salt-sealed Fe-doped zeolitic imidazolate frameworks(ZIFs). NaCl functions both as pore-forming agent and closed nanoreactor, which can not only lead to the formation of defects-rich three-dimensional interconnected structures with high N-doping content to expose abundant active sites, promote mass transfer and electron transfer, but also facilitate the effective incorporation of Fe to form Fe-N_x active sites without aggregation. These unique characteristics render Fe-SAs/NLPC outstanding electrocatalytic activity for ORR, with one-set potential of 0.96 V and high kinetic current density(j_K) of 33.32 mA/cm² in alkaline medium, which surpass the values of most nonprecious-metal catalysts and even commercial Pt/C.     

Two-dimensional Metal-Organic Frameworks and Derivatives for Electrocatalysis

The most important topics in the world today are environmental and resource issues. The development of green and clean energy is still one of the great challenges of social sustainable development. Two-dimensional(2D) metal-organic frameworks(MOFs) and derivatives have exceptional potential as high-efficiency electrocatalysts for clean energy technologies. This review summarizes various synthesis strategies and applications of 2D MOFs and derivatives in electrocatalysis. Firstly, we will outline the advantages and uniqueness of 2D MOFs and derivatives, as well as their applicable areas. Secondly, the synthetic strategies of 2D MOFs and derivatives are briefly classified. Each category is summarized and we list classic representative fabrication methods, including specific fabrication methods and mechanisms, corresponding structural characteristics, and insights into the advantages and limitations of the synthesis method. Thirdly, we separately classify and summarize the application of 2D MOFs and derivatives in electrocatalysis, including electrocatalytic water splitting, oxygen reduction reaction(ORR), CO₂ reduction reaction(CO₂RR), and other electrocatalytic applications. Finally, the development prospects and existing challenges to 2D MOFs and derivatives are discussed.     

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.     

惰性小分子电催化还原反应的电解液调控

本文概述了惰性小分子电催化还原反应（如二氧化碳还原反应和氮气还原反应）中电解液的组成和作用机制,介绍了相关电解液研究的最新进展,并讨论了电解液调控在揭示反应机理、改善催化性能中的重要作用.     

非金属电催化剂环境条件下氮还原反应的研究进展

NH₃ plays an important role in modern society as an essential building block in the manufacture of fertilizers, aqueous ammonia, plastics, explosives, and dyes. Additionally, it is regarded as a green alternative fuel, owing to its carbon-free nature, large hydrogen capacity, high energy density, and easy transportation. The Haber-Bosch process plays a dominant role in global NH₃ synthesis; however, it involves high pressure and temperature and employs N₂ and H₂ as feeding gases, thus suffering from high energy consumption and substantial CO₂ emission. As a promising alternative to the Haber-Bosch process, electrochemical N₂ reduction enables sustainable and environmentally benign NH₃ synthesis under ambient conditions. Moreover, its applied potential is compatible with intermittent solar, wind, and other renewable energies. However, efficient electrocatalysts are required to drive N₂-to-NH₃ conversion because of the extremely inert N≡N bond. To date, significant efforts have been made to explore high-performance catalysts with high efficiency and selectivity. Generally, noble-metal catalysts exhibit efficient performance for the NRR, but their scarcity and high cost limit their large-scale application. Therefore, considerable attention has been focused on earth-abundant transition-metal (TM) catalysts that can use empty or unoccupied orbitals to accept the lone-pair electrons of N₂, while donating the abundant d-orbital electrons to the antibonding orbitals of N₂. However, these catalysts may release metal ions, leading to environmental pollution. Most of these TM electrocatalysts may also favor the formation of TM—H bonds, facilitating the hydrogen evolution reaction (HER) during the electrocatalytic reaction. Recent years have seen a surge in the exploration of metal-free catalysts (MFCs). MFCs mainly include carbon-based catalysts (CBCs) and some boron-based and phosphorus-based catalysts. Generally, CBCs exhibit a porous structure and high surface area, which are favorable for exposing more active sites and providing rich accessible channels for mass/electron transfer. Moreover, the Lewis acid sites of most metal-free compounds could accept the lone-pair electron of N₂ and adsorb N₂ molecules by forming nonmetal—N bonds, further widening their potential for electrocatalytic NRR. Compared with metal-based catalysts, the occupied orbitals of metal-free catalysts can only form covalent bonds or conjugated π bonds, hindering electron donation from the electrocatalyst to N₂ and molecular activation. In this review, we summarize the recent progress in the design and development of metal-free electrocatalysts (MFCs) for the ambient NRR, including carbon-based catalysts, boron-based catalysts, and phosphorus-based catalysts. In particular, heteroatom doping (N, O, S, B, P, F, and co-dopants), organic polymers, carbon nitride, and defect engineering are highlighted. We also discuss strategies to boost NRR performance and provide an outlook on the development perspectives of MFCs.     

2020 Roadmap on gas-involved photo-and electro-catalysis

In this roadmap, we address the development and perspectives of hydrogen evolution reaction, oxygen reduction reaction, oxygen evolution reaction, carbon dioxide reduction reaction and nitrogen reduction.     

Atomic Fe-N_4 sites on electrospun hierarchical porous carbon nanofibers as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction

Porous carbon materials doped with atomically dispersed metal sites(ADMSs) are promising electrocatalysts for oxygen reduction reaction(ORR) electrocatalysis.In this work,we fabricated hierarchical porous nitrogen-doped carbon nanofibers with atomically dispersed Fe-N_4 sites by carbonization of electrospinning iron-based metal-organic frameworks(MOFs)/polyacrylonitrile nanofibers for ORR electrocatalysis.Remarkably,the re sultant carbon nanofibers with atomically dispersed FeN_4 sites exhibit extraordinary electrochemical performance with an onset potential of 0.994 V and a halfwave potential of 0.876 V in alkaline electrolyte,comparable to the benchmark commercial Pt/C catalyst.The high catalytic performance is originated from the unique hierarchically porous 1 D carbon structure and abundant highly active atomically dispersed Fe-N_4 sites.     

Substituent position effect of Co porphyrin on oxygen electrocatalysis

Substituent effect of metal porphyrin molecular catalysts plays a crucial role in determining the catalytic activity of oxygen electrocatalysis. Herein, substituent position effect of Co porphyrins on oxygen electrocatalysis, including the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER), was investigated. Two Co porphyrins, namely 2,4,6-OMe-CoP and 3,4,5-OMe-CoP, were selected as the research objects. The ORR and OER performance was evaluated by drop-coating molecular catalysts on carbon nanotubes (CNTs). The resulted 3,4,5-OMe-CoP/CNT exhibited high bifunctional electrocatalytic activities and better long-term stability for both ORR and OER than 2,4,6-OMe-CoP/CNT. Furthermore, when applied in the Zn-air battery, 3,4,5-OMe-CoP/CNT exhibited comparable performance to that with precious metal-based materials. The enhanced catalytic activity may be attributed to the improved charge transfer rate, mass transfer and hydrophilicity. This work provides an effective strategy to further enhance catalytic activity by introducing substituent position effect, which is of great importance for developing more efficient energy-related electrocatalysts.