铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注。燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置。在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应。但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化。为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂。找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一。近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性。然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少。人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 mV的过电位,与金属铂(约200 mV)相比基本可忽略。通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质。进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应。
　　本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标。氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较。随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状。根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍：(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用。最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望。继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂。希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向。     

非晶非贵金属催化剂的研究进展及展望

近年来电解水产氢作为一种具有前景的制备及储存可再生能源的方法受到了各界的广泛关注.在此过程中,电解水催化剂是提高能源转换效率的关键.优秀的催化剂应具备高催化活性、高稳定性、低成本以及可大规模生产等性质.科研工作者对电解水的两部分反应,即析氢反应以及析氧反应均进行了广泛及深入的研究.目前,贵金属催化剂,如铂基、钌基催化剂的催化活性要高于其他元素催化剂,但由于其价格昂贵,储量较少使得贵金属催化剂无法得到大规模应用,因此发展非贵金属催化剂对绿色能源的发展具有重要意义.一般而言,催化剂的结晶度越高,其催化活性越好,而近年来非晶催化剂以其更高的催化活性位密度也越来越受到人们的重视.同时,非晶催化剂的成分更加灵活,相比晶体催化剂来说非晶催化剂可以在更大范围内对成分进行调节.此外,非晶催化剂的制备通常都在较为温和的反应条件下进行,这也能够降低生成成本,促进其工业化发展.在这篇综述里我们介绍了电解水反应的基本原理,总结了近期非晶析氢、析氧以及双功能催化剂的研究进展.并随后探讨了电解水反应目前的难点并对非晶催化剂的制备进行了展望.     

基于血红素衍生的中空非贵金属催化剂氧还原反应电催化活性

血红素作为一种天然金属大环化合物常被用于制备非贵金属电催化剂用于燃料电池阴极的氧还原反应,但是其电催化活性仍有待提升。本文以氯化钠作为模板设计合成了一种中空的铁基非贵金属电催化剂Hemin-HD(Hemin hollow derivative),在碱性介质中该催化剂可以高效地催化氧还原反应。结合透射电镜、X射线衍射、比表面积分析和X射线光电子能谱等物理化学表征可知,与无模板制备的电催化剂Hemin-D(Hemin derivative)相比,Hemin-HD电催化剂比表面积提升了6.5倍,孔容积增加了3.8倍。这主要是由于该电催化剂中空结构的设计使得催化活性位可以同时分散在内表面和外表面,比表面积的增加加强了活性位点的暴露,提高了活性位点密度。此外,Hemin-HD电催化剂中的孔道结构可以有效地改善氧气传质速率,加强活性位点与反应物之间的接触,从而有效提高催化剂的氧还原活性。     

用于电催化析氧反应电极的制备策略

随着能源枯竭和环境污染等问题的日益严重,开发清洁可再生能源及相关新型技术迫在眉睫。近年来,水分解、金属-空气电池等电化学能源储存和转换技术得到人们的广泛关注。电催化析氧反应(Oxygen evolution reaction,OER)是其中的一个关键反应,大量高性能的OER电催化剂不断见诸报道。除了材料本征催化活性的影响,不同的电极制备方式同样会对催化剂性能的发挥起到重要作用,越来越多的研究者致力于探索高效OER电极的设计与制备方法。本综述从方法论的角度,详细介绍了目前高效OER电极的制备策略,讨论了各类制备方式的优势和不足,总结了相关工作的最新研究进展,概述了新型电极的制备方法。最后,对电极制备策略的发展方向进行了总结与展望。     

包覆型非贵金属氧还原催化剂的研究进展

燃料电池中广泛使用的铂基催化剂价格昂贵、储量低、容易失活,因此亟待开发廉价、高效非铂催化剂. 过渡金属(Fe、Co、Ni等)/杂原子共掺杂催化剂、杂原子掺杂（N、P、S、F等）碳材料以及碳材料包覆过渡金属复合物是目前发现的几类性能优异的非贵金属氧还原催化剂. 其中碳材料包覆过渡金属催化剂作为一类新型的高性能催化剂,对其研究还有待深入. 本文主要阐述了国内外在包覆型非贵金属氧还原催化剂方面的研究进展,从合成,性能,机理等方面对该类催化剂进行了总结,力求助益于该类催化剂的发展.     

碳基非贵金属氧还原电催化剂的活性位结构研究进展

以热解型Fe/N/C为代表的碳基非贵金属材料被认为是当前最具潜力替代铂的非贵金属氧还原催化剂,其综合性能的进一步突破,对于推动质子交换膜燃料电池商业化应用具有重要意义。对热解型Fe/N/C催化剂活性位结构的深入认识是实现催化剂高活性位密度和高稳定性理性设计的关键。本文总结了热解型Fe/N/C活性位的研究进展,重点介绍了非晶态铁氮配位活性中心、氮掺杂和碳缺陷三类活性位构型。由于热解型Fe/N/C是非均相的,结构非常复杂,导致在活性位认识上还存在诸多争议,本文总结阐述了活性位结构的不同观点。最后,我们展望了Fe/N/C催化剂活性位研究的未来方向。     

共价有机框架负载贵金属铂用于电催化析氢

本工作探究了共价有机框架负载贵金属Pt的电催化析氢性能。以2, 6-二氨基蒽醌和2,4,6-三甲酰基间苯三酚为构筑单元,采用溶剂热法合成了TP-DAAQ COF。随后通过金属前驱体浸渍法制备了Pt-TP-DAAQ COF。X射线粉末衍射,傅里叶红外光谱,氮气吸附/脱附等表明成功制备了TP-DAAQ COF和Pt-TP-DAAQ COF。电化学测试结果表明Pt-TP-DAAQ COF (其中含有5.8%的Pt)展现了比20% Pt/C还优异的电催化活性。当电流密度为10 mA cm?2时,Pt-TP-DAAQ COF的过电位为45 mV,Tafel 斜率为29 mV dec?1。这高效的电催化活性源于TP-DAAQ COF与Pt之间良好的协同效应。Pt-TP-DAAQ COF具有较大的比表面积和规整的一维孔道,使催化位点更易于与电解液中的物质发生接触和相互作用,从而增强了其催化性能。     

非贵金属析氢电催化剂的结构调控研究进展

能源危机和环境污染日益严重,寻找可持续且清洁的新能源成为趋势,而氢能被视为最理想的选择。贵金属基催化剂虽活性优异但成本高、稳定性差,因此开发可代替如铱（Ir）和钌（Ru）等贵金属催化剂的非贵金属催化剂是研究热点,而掌握析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction,HER）机理是合成新型高效电催化剂的关键。本文综述了近年来非贵金属基HER催化剂的研究进展,围绕Fe、Co、Ni和Mn等非贵金属对电催化构建策略和提高催化活性进行了讨论,其中包括组分调控和缺陷工程等方面。此外,还展望了HER催化剂的应用前景。     

质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-Nx/C型氧还原催化剂研究进展

氧还原反应(ORR)是燃料电池能量转换的关键步骤,开发高性能低成本的催化剂以替代铂族贵金属是推动燃料电池商业化的重要途径。本文综述了质子交换膜燃料电池非贵金属M-N_x/C型催化剂的最新研究进展,概括了氧还原反应的基础理论,系统展示了先进表征技术对活性位点鉴定和反应机理研究的作用,总结了M-N_x/C型催化剂近年来的代表工作和活性突破,阐述了稳定性问题的根源及对应的方案策略,我们认为M-N_x/C型催化剂未来的发展方向是理性设计具高位点密度和高稳定性的催化剂。     

钨掺杂的铁镍基层状氢氧化物用于电催化析氧和析氢反应

采用简便的一步水热合成法,在泡沫镍上原位生长微量W~(6+)掺入的Fe_(0.2)Ni(OH)_2双金属层状氢氧化物(LDH),以此来降低铁镍材料的过电势。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等分析方法对材料形貌、组成、结构等进行表征,发现钨掺杂使催化剂材料的晶体结构和电子结构发生变化,W_(0.03)Fe_(0.2)Ni(OH)_2LDH表现出优异的电化学析氧(OER)和析氢(HER)性能。电化学测试表明该催化剂在25 mA·cm~(-2)电流密度下OER和HER过电势分别仅有271和208 mV,塔菲尔斜率分别为61和181 mV·dec~(-1)。此外,经过长达20 h计时电位稳定性测试后,材料的催化性能未见明显下降。     

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。     

MOF‐Derived Hollow CoS Decorated with CeOx Nanoparticles for Boosting Oxygen Evolution Reaction Electrocatalysis

Transition‐metal sulfides (TMSs) have emerged as important candidates for oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts. Now a hybrid nanostructure has been decorated with CeO_x nanoparticles on the surface of ZIF‐67‐derived hollow CoS through in situ generation. Proper control of the amount of CeO_x on the surface of CoS can achieve precise tuning of Co²⁺/Co³⁺ ratio, especially for the induced defects, further boosting the OER activity. Meanwhile, the formation of protective CeO_x thin layer effectively inhibits the corrosion by losing cobalt ion species from the active surface into the solution. It is thus a rare example of a hybrid hetero‐structural electrocatalyst with CeO_x NPs to improve the performance of the hollow TMS nanocage.     

Molecular Mixed‐Metal Manganese Oxido Cubanes as Precursors to Heterogeneous Oxygen Evolution Catalysts

Well‐defined mixed‐metal [CoMn₃O₄] and [NiMn₃O₄] cubane complexes were synthesized and used as precursors for heterogeneous oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts. The discrete clusters were dropcasted onto glassy carbon (GC) and indium tin oxide (ITO) electrodes, and the OER activities of the resulting films were evaluated. The catalytic surfaces were analyzed by various techniques to gain insight into the structure‐function relationships of the electrocatalysts’ heterometallic composition. Depending on preparation conditions, the Co‐Mn oxide was found to change metal composition during catalysis, while the Ni–Mn oxides maintained the NiMn₃ ratio. XAS studies provided structural insights indicating that the electrocatalysts are different from the molecular precursors, but that the original NiMn₃O₄ cubane‐like geometry was maintained in the absence of thermal treatment ( 2‐Ni ). In contrast, the thermally generated 3‐Ni develops an oxide‐like extended structure. Both 2‐Ni and 3‐Ni undergo structural changes upon electrolysis, but they do not convert into the same material. The observed structural motifs in these heterogeneous electrocatalysts are reminiscent of the biological oxygen‐evolving complex in Photosystem II, including the MMn₃O₄ cubane moiety. The reported studies demonstrate the use of discrete heterometallic oxide clusters as precursors for heterogeneous water oxidation catalysts of novel composition and the distinct behavior of two sets of mixed metal oxides.     

钴/氮掺杂碳催化剂及其氧还原催化机理研究

以尿素做氮源、醋酸钴做金属源,用湿法合并高温热处理法合成了钴/氮共掺杂碳的非贵金属氧还原催化剂Co-N/C-T. 采用循环伏安（CV）法和线性扫描法（LSV）探究了氮源和金属源用量以及热处理温度对氧还原反应电催化活性的影响,活性最好的催化剂Co_0.13-N_0.3/C-800的峰电位达到0.829 V（vs.RHE）,接近商用Pt/C的活性,但比商用Pt/C有更好的耐甲醇性和稳定性. 同时,采用SEM,TEM,BET,XRD和XPS方法表征了催化剂结构和组分特征,并提出催化剂可能的电催化活性氧还原反应机理.     

La1-xSrxCoC3钙钛矿在碱性溶液中的析氧电催化

 稳态极化研究结果表明, La1-xSrxCoO3电极的析氧Tafel斜率为2303RT/F, OH-的反应级数近似为1, 在阳极析氧反应中, OH-的电化学脱附为速度控制步骤. 随着La1-xSrxCoO3中Sr含量的增加,氧化物表面的粗糙度提高,当x=02时,析氧反应的活化能最低,即La0.8Sr0.2CoO3表现有最高的析氧电催化活性.     

Bifunctional Catalysts for Reversible Oxygen Evolution Reaction and Oxygen Reduction Reaction

Metal-air batteries (MABs) and reversible fuel cells (RFCs) rely on the bifunctional oxygen catalysts for oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR). Finding efficient bifunctional oxygen catalysts is the ultimate goal and it has attracted a great deal of attention. The dilemma is that a good ORR catalyst is not necessarily efficient for OER, and vice versa. Thus, the development of a new type of bifunctional oxygen catalysts should ensure that the catalysts exhibit high activity for both OER and ORR. Composites with multicomponents for active centers supported on highly conductive matrices could be able to meet the challenges and offering new opportunities. In this Review, the evolution of bifunctional catalysts is summarized and discussed aiming to deliver high-performance bifunctional catalysts with low overpotentials.     

Regulating the Spin State of FeIII by Atomically Anchoring on Ultrathin Titanium Dioxide for Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysis

Ferric oxides and (oxy)hydroxides, although plentiful and low‐cost, are rarely considered for oxygen evolution reaction (OER) owing to the too high spin state (e_g filling ca. 2.0) suppressing the bonding strength with reaction intermediates. Now, a facile adsorption–oxidation strategy is used to anchor Fe^III atomically on an ultrathin TiO₂ nanobelt to synergistically lower the spin state (e_g filling ca. 1.08) to enhance the adsorption with oxygen‐containing intermediates and improve the electro‐conductibility for lower ohmic loss. The electronic structure of the catalyst is predicted by DFT calculation and perfectly confirmed by experimental results. The catalyst exhibits superior performance for OER with overpotential 270 mV @10 mA cm^?2 and 376 mV @100 mA cm^?2 in alkaline solution, which is much better than IrO₂/C and RuO₂/C and is the best iron‐based OER catalyst free of active metals such as Ni, Co, or precious metals.     

Highly Active Electrocatalysis of the Hydrogen Evolution Reaction by Cobalt Phosphide Nanoparticles

Nanoparticles of cobalt phosphide, CoP, have been prepared and evaluated as electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) under strongly acidic conditions (0.50 M H₂SO₄, pH 0.3). Uniform, multi‐faceted CoP nanoparticles were synthesized by reacting Co nanoparticles with trioctylphosphine. Electrodes comprised of CoP nanoparticles on a Ti support (2 mg cm^?2 mass loading) produced a cathodic current density of 20 mA cm^?2 at an overpotential of ?85 mV. The CoP/Ti electrodes were stable over 24 h of sustained hydrogen production in 0.50 M H₂SO₄. The activity was essentially unchanged after 400 cyclic voltammetric sweeps, suggesting long‐term viability under operating conditions. CoP is therefore amongst the most active, acid‐stable, earth‐abundant HER electrocatalysts reported to date.     

氮掺杂石墨炭包覆的钴纳米催化剂作高效、高稳定性电催化制氢

电催化制氢是解决当前能源危机的重要手段之一。 研究高效稳定的非贵金属电催化剂是电催化制氢商业应用的重点。 本文通过直接高温热解双金属沸石咪唑骨架,制备了一种氮掺杂石墨炭(NC)包覆均匀分布的钴纳米颗粒电催化剂(V-Co@NC,这里V是vacancy缩写),前躯体中的Zn元素有效地防止钴纳米颗粒的聚集,并有助于生成均匀分布的钴纳米颗粒。 这种特殊的纳米结构可防止钴与电解液的直接接触,提升了其循环稳定性,同时,氮元素的掺杂提升了导电性,有利于电催化制氢性能的提升。 结果表明,所制备的V-Co@NC催化剂在酸性和碱性电解液中均具有良好的催化性能,且经过5000次循环测试后催化活性基本保持不变,具有良好的应用前景。为高活性和高选择性的电催化制氢催化剂的发展提供一种全新的途径。