碳点增强的Ru纳米颗粒复合材料用于碱性条件下高效电解水析氢（英文）

氢能源被认为是二十一世纪的新型能源,其有望解决由传统化石燃料的过度使用而带来的环境污染和全球变暖等问题。电解水析氢(HER)因其绿色环保的特点引起了巨大的关注。同时,为进一步提升电催化剂的催化性能和降低其制作成本,碳基金属杂化材料被开发出来并表现出高效的催化活性。其中,碳点(CDs)因其合成方便、生物相容性好、色彩丰富、化学稳定性好和优异的电子传导性能,在传感、生物成像及源转换方面有良好的应用潜力。碳点通常作为载体被广泛应用在碳基金属杂化材料电催化剂的构筑上,目前,普遍认为碳点具有优异的限域作用,能够有效地抑制金属纳米颗粒的生长和团聚,从而制备出分布均匀,尺寸可控的碳基金属杂化材料,然而,从小分子原料到碳点的形成过程却鲜有报道。在本研究中,我们以碳点和合成碳点的小分子原料为前驱体,分别制备了氮掺杂的高结晶性碳点负载的钌纳米颗粒杂化材料(Ru@CDs)和小分子负载的钌纳米颗粒杂化材料(Ru@Molecule),探究了小分子在形成碳点的过程中和Ru之间的相互作用以及对电解水析氢反应(HER)性能的影响。同时,我们制备了金属有机骨架(MOF)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GO)等不同载体,构建了不同碳基载体负载的Ru纳米颗粒(Ru@M)。其中,以碳点作为载体制备的Ru@CDs杂化材料,Ru纳米颗粒在尺寸和分散性上都是可控的,活性位点有效暴露,表现出优异的HER活性和良好的稳定性,在电流密度为10 mA·cm~(-2)时的过电位仅为22 mV。研究表明,从小分子到碳点的形成需经过一个中间态,而中间态无限域作用,随着煅烧温度的升高,小分子逐渐向碳点转变。碳点与金属离子之间的配位作用形成这种独特的空间限域作用是形成单分散Ru纳米颗粒的关键。因此,碳点是优异的HER催化剂载体。该工作不仅揭露了碳点的独特的空间限域能力对所负载金属的作用及其对电催化活性的影响,同时也为将来碳点基金属电催化剂的开发提供了参考。     

PtRu/氮掺杂碳电催化甲醇氧化及电解水析氢性能

将三聚氰胺、RuCl₃及炭黑以一定的比例分散于乙醇中,采用旋转蒸干及高温热处理合成了一种氮掺杂碳(NC)负载Ru的Ru/NC 催化剂。采用硼氢化钠液相化学还原法合成了不同 Pt、Ru 负载量的 PtRu/NC 催化剂,并用于电催化甲醇氧化反应(MOR)及电催化分解水析氢反应(HER)。结果表明,合成的催化剂中 Pt₁Ru/NC(Pt、Ru的实际负载量分别为 1.14%、0.54%)表现出最优的MOR性能,质量活性达4.96 A·mg^-1_PtRu,且经10 000 s稳定性测试后质量活性保持在测试前的91.1%。同时,当电流密度为100 mA·cm^-2时,Pt₁Ru/NC在HER中表现出最低的过电位(103 mV)和最小的Tafel斜率(15.29 mV·dec^-1)。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP‐OES)、STEM‐能谱(STEM‐EDS)技术PtRu/NC双金属催化剂,其具有优异催化性能的原因如下：(1) PtRu双金属纳米颗粒高度分散于NC上;(2) Pt以纳米团簇或单原子形式负载于Ru上,后负载于NC,形成了Pt‐Ru相分离结构;(3) Pt、Ru与N之间存在协同效应。     

PtRu/氮掺杂碳电催化甲醇氧化及电解水析氢性能

将三聚氰胺、RuCl₃及炭黑以一定的比例分散于乙醇中,采用旋转蒸干及高温热处理合成了一种氮掺杂碳(NC)负载Ru的Ru/NC催化剂。采用硼氢化钠液相化学还原法合成了不同Pt、Ru负载量的PtRu/NC催化剂,并用于电催化甲醇氧化反应(MOR)及电催化分解水析氢反应(HER)。结果表明,合成的催化剂中Pt₁Ru/NC(Pt、Ru的实际负载量分别为1.14%、0.54%)表现出最优的MOR性能,质量活性达4.96 A·mg^-1_PtRu,且经10 000 s稳定性测试后质量活性保持在测试前的91.1%。同时,当电流密度为100mA·cm^-2时,Pt₁Ru/NC在 HER中表现出最低的过电位(103 mV)和最小的 Tafel斜率(15.29 mV·dec^-1)。通过 X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、STEM-能谱(STEM-EDS)技术表征了PtRu/NC双金属催化剂,其具有优异催化性能的原因如下：(1) PtRu双金属纳米颗粒高度分散于NC上;(2) Pt以纳米团簇或单原子形式负载于Ru上,后负载于NC,形成了Pt-Ru相分离结构;(3) Pt、Ru与N之间存在协同效应。     

Nb掺杂调控CoSeS多级纳米结构用于增强析氢反应

电催化析氢(HER)是清洁制氢的一种有效途径,对于氢经济和氢能产业的发展具有重要意义.金属掺杂是提高电催化剂本征活性的有效方法,导电基底的采用也有利于电荷传输和催化性能的整体提高.尽管已有关于硒化物作为HER催化剂的相关报道,但是合成条件有限、导电性、本征活性的影响,其电催化性能仍有提升的空间.此外,在酸性电解液中的腐...     

NiFe水滑石纳米片阵列负载Ru用于提升碱性电催化析氢和析氧性能

通过离子交换的方式将Ru负载到NiFe水滑石(LDH)纳米阵列表面得到(Ru/NiFe LDH),Ru的引入显著提升了NiFe LDH的活性比表面积,暴露了更多的活性位点,同时调控了其电子结构,大大提升了其本征催化活性。在碱性条件下,催化析氢反应时仅需50 mV的过电位即可达到10 mA·cm^-2的电流密度,Tafel斜率为52.3 mV·dec^-1。而相同条件下原始NiFe LDH达到10mA·cm^-2的电流密度则需要226 mV的过电位,Tafel斜率为157.5 mV·dec^-1。同时制备的Ru/NiFe LDH也展现出了良好的析氧催化活性,在50 mA·cm^-2的电流密度下,过电位仅为231 mV,而NiFe LDH则需237 mV。Ru/NiFe LDH在长时间的电催化条件下依然能保持良好的工作稳定性。     

NiFe水滑石纳米片阵列负载Ru用于提升碱性电催化析氢和析氧性能

通过离子交换的方式将Ru负载到NiFe水滑石（LDH）纳米阵列表面得到（Ru/NiFe LDH）,Ru的引入显著提升了NiFe LDH的活性比表面积,暴露了更多的活性位点,同时调控了其电子结构,大大提升了其本征催化活性。在碱性条件下,催化析氢反应时仅需50 mV的过电位即可达到10 mA·cm^-2的电流密度,Tafel斜率为52.3 mV·dec^-1。而相同条件下原始NiFe LDH达到10mA·cm^-2的电流密度则需要226 mV的过电位,Tafel斜率为157.5 mV·dec^-1。同时制备的Ru/NiFe LDH也展现出了良好的析氧催化活性,在50 mA·cm^-2的电流密度下,过电位仅为231 mV,而NiFe LDH则需237 mV。Ru/NiFe LDH在长时间的电催化条件下依然能保持良好的工作稳定性。     

碳点衍生的碳纳米花负载钴单原子和纳米颗粒用于高效的氧还原反应（英文）

锌空气电池(ZABs)具有高能量密度(1086 m Wh gZn^–1)、价低、易回收等优势,引起了学者们的广泛关注.空气电极发生的氧还原反应(ORR)/氧析出反应(OER)是控制整个ZABs效率的关键.因此,设计和开发高效的ORR电催化剂对于ZABs商业化至关重要.目前, Pt基电催化剂仍是最有效的ORR电催化剂,但Pt资源稀缺,价格高昂,Pt基电催化剂稳定性差等缺点阻碍了其商业化.因此,研究高活性和高稳定性的ORR非贵金属电催化剂十分重要.碳点(CDs)作为一种新型的零维高分子碳材料,具有低毒、高导电性等优势,被广泛用于碳基材料的前驱体.CDs具有sp²杂化晶核、丰富的边缘位点和大量的官能团(如-NH₂,-COOH和-OH),这些表面官能团为过渡金属原子提供了很强的锚定位点,可用于构筑各种碳负载过渡金属催化剂.本文设计合成了一种新型的碳基ORR电催化剂,其由CDs衍生的三维碳纳米花(CNF)负载Co单原子(SAs)和纳米颗粒(NPs)构成.利用CDs在二次水热过程中形成了3.66 nm的超薄纳米膜并构筑成3D的多孔CN...     

负载无定型钌纳米簇的原子级钴掺杂一维碳纳米笼增强析氢催化性能

析氢反应是电解水产制氢的关键反应之一.在碱性条件下,由于催化剂表面与反应过程中产生的氧物种、氢物种与催化剂的吸附未处于最佳状态,析氢反应动力学往往比较缓慢,比在酸性条件下慢2-3个数量级.目前,铂基纳米催化剂被认为是最优的析氢催化剂,但因价格昂贵、稳定性较差,限制了其在电解水器件上的大规模应用.因此,设计一种价格较为低...     

Carbon Dots Integrated NiCo2O4 Hierarchical Nanoneedle Arrays Supported on Ni Foam as Efficient and Stable Electrode for Hydrogen and Oxygen Evolution Reactions

The production of hydrogen and oxygen via water electrolysis has become a sustainable and encouraging pathway for the establishment of new energy sources. Herein, we report the successful growth of hierarchical NiCo₂O₄‐carbon dots (CDs) nanoneedle arrays supported on nickel foam through a simple and environmentally benign hydrothermal self‐assembly technique. The designed material acts as a binder free electrode and shows bifunctional electrocatalytic activity for both hydrogen evolution reaction (HER) as well as oxygen evolution reaction (OER) in alkaline medium. An electrocatalyst sample with an optimal loading of CDs (25 mg) requires a low overpotential of 146 mV to achieve a current density of 10 mA/cm² for the HER in an alkaline medium, whereas it requires an overpotential of 390 mV to achieve a current density of 50 mA/cm² for the OER in the same alkaline medium. The excellent electrocatalytic activities of the sample with loading of CD can be ascribed due to the presence of large number of exposed active sites offered by CD/NiCo₂O₄ and the enhanced electron transfer processes occurring as a result of hierarchical structure composed of three‐dimensional nickel foam and the NiCo₂O₄?CDs nanoneedle arrays. Thus, the synthesis method introduced in this present work is a facile and cost‐effective approach for the construction of bifunctional electrocatalysts with high reactivity and excellent durability.     

Ru Nanoparticles Supported on Co-Embedded N-Doped Carbon Nanotubes as Efficient Electrocatalysts for Hydrogen Evolution in Basic Media

A challenging but urgent task is to construct efficient and robust hydrogen evolution reaction(HER) electrocatalysts for practically feasible and sustainable hydrogen production through alkaline water electrolysis. Herein we report a simple and mild pyrolysis method to synthesize the efficient Ru nanoparticles(NPs) supported on Co-embedded N-doped carbon nanotubes(Ru/Co-NCNTs) catalyst for HER in basic media. The Ru/Co-NCNTs display remarkable performance with a low overpotential of only 35 mV at 10 mA/cm², a small Tafel slope(36 mV/dec), and a high mass activity in 1 mol/L KOH, which is superior to commercial 20% Pt/C catalyst. This excellent performance is benefited from the enhanced conductivity of N-doped carbon nanotubes(NCNTs) and high intrinsic activity triggered by synergistic coupling between Ru NPs and Co-embedded N-doped carbon nanotubes(Co-NCNTs).     

Highly Dispersed Pt Nanoparticles Embedded in N-Doped Porous Carbon for Efficient Hydrogen Evolution

A novel and facile strategy is presented to synthesize highly dispersed Pt nanoparticles embedded in N-doped porous carbon (Pt@NPC) via carbonization of Zn-containing metal-organic frameworks and chemical replacement of Zn with Pt. The as-prepared Pt@NPC exhibits superior activity and durability towards hydrogen evolution reaction (HER) in comparison with commercial Pt/C catalyst. The excellent HER performance of Pt@NPC can be ascribed to the combined features of catalyst and support material, including high dispersion and ultrathin particle size of Pt, high surface area and nitrogen doping of carbon support, and the strong interaction between metal and support.     

碱性电解水高效制氢

与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。     

Defect‐Rich Copper‐doped Ruthenium Hollow Nanoparticles for Efficient Hydrogen Evolution Electrocatalysis in Alkaline Electrolyte

It is of great importance to develop highly e?cient and stable Pt‐free catalysts for electrochemical hydrogen generation from water electrolysis. Here, monodisperse 7.5 nm copper‐doped ruthenium hollow nanoparticles (NPs) with abundant defects and amorphous/crystalline hetero‐phases were prepared and employed as efficient hydrogen evolution electrocatalysts in alkaline electrolyte. Specifically, these NPs only require a low overpotential of 25 mV to achieve a current density of 10 mA cm^?2 in 1.0 M KOH and show acceptable stability after 2000 potential cycles, which represents one of the best Ru‐based electrocatalysts for hydrogen evolution. Mechanism analysis indicates that Cu incorporation can modify the electronic structure of Ru shell, thereby optimizing the energy barrier for water adsorption and dissociation processes or H adsorption/desorption. Cu doping paired with the defect‐rich and highly open hollow structure of the NPs greatly enhances hydrogen evolution activity.     

碳点及其在无机材料中多种功能的应用

碳点（CDs）与无机材料结合可能改善两者的性能甚至出现新性能。本文重点介绍CDs以下三种性能在无机材料中的应用：利用CDs的发光性能,可将CDs与无机材料结合用于照明、防伪等;利用CDs的紫外吸收性能,可将其与无机材料结合用作紫外屏蔽剂;利用CDs的化学性能可调控无机材料的结构或增强无机材料的性能。最后,展望了CDs在无机材料中的多功能应用,以期为无机材料的创新性发展做出贡献。     

“绿氢”工业化碱性催化剂研究现状及未来展望

电解水制氢技术的发展对于加快实现全球碳中和目标具有重要意义。然而,碱性介质中缓慢的析氢/析氧反应动力学过程目前是阻碍该技术发展的瓶颈问题。基于此,本文首先综述了碱性环境下析氢反应与析氧反应不同的动力学理论机制,总结了针对改善动力学反应过程的理论设计策略。随后,介绍了目前电解水催化剂的设计理念及方向。对新兴的“绿氢”技术而言,探索在高电流密度下高性能电催化剂对这项技术在工业化应用推广中起着核心作用。同时,大规模合成策略是辅助合成工业电极的关键技术。进一步,我们在推进“绿氢”工业化应用的基础上总结了目前常用三种电解槽,介绍了目前电解槽设计的局限性及对应解决方案。总之,深入研究适用于碱性环境中的工业电催化剂、商业膜或电解槽的设计,提高对工业设计原则的理解,对于获得效率更高、安全性更高、实用性更强的工业电解槽具有重要意义。     

氟化修饰显著提高碳点的抗菌活性

本文采用支化聚乙烯亚胺和乙醇制备阳离子碳点,并在其表面接枝含氟烷基链,得到一种氟化修饰的碳点材料,其对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌以及革兰氏阴性菌大肠杆菌和绿脓杆菌都表现出了优异的抗菌活性,而对哺乳动物细胞具有较低的毒性。通过构效关系研究发现,氟化修饰对于碳点的抗菌活性至关重要,将含氟烷基链替换成烷烃基链会极大削弱碳点的抗菌性能。本文的结果为阳离子抗菌材料的设计提供了新的思路。     

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。     

基于玉米淀粉制备绿色碳量子点及氢离子/氢氧根 离子调节荧光开关性能

以玉米淀粉为碳源,在草酸的作用下利用乙醇溶剂热法制备了一种绿色荧光碳量子点(G-CQDs).通过透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱等测试分析了G-CQDs的形貌、组成和结构.结果表明,G-CQDs为粒径为2～5 nm的准球形纳米颗粒,...