具有优异甲醇耐受性的Rh掺杂Pd Cu有序金属间化合物纳米粒子增强氧还原电催化（英文）

由于阴极催化剂有限的活性和耐久性以及甲醇渗透到阴极所导致的催化剂中毒问题,直接甲醇燃料电池(DMFCs)仍面临严峻的挑战。本文报道了一类新型的具有有序金属间结构的Rh掺杂PdCu纳米颗粒用于提高阴极氧还原反应(ORR)的活性、耐久性和甲醇耐受性。通过结合Rh原子掺杂以及有序金属间结构两者的优点,在碱性条件下,Rh掺杂Pd Cu金属间化合物催化剂在0.9 V电位下对氧还原质量活性相比商业Pt/C提高7.4倍。这种独特的结构还使其表现出出色的ORR耐久性,在连续20000个循环后的半波电位和质量活性几乎不变。此外,在苛刻的中毒环境下,仍可以保持Rh掺杂PdCu金属间化合物电催化剂高的氧还原催化活性。     

铂基金属间化合物纳米晶的最新进展:可控合成与电催化应用

铂基金属间化合物纳米晶因其高度有序的结构特点,优异的抗氧化及耐腐蚀性能,作为电极材料被广泛应用于各类电催化反应,目前已有的PtCo金属间化合物纳米晶在燃料电池阴极反应(氧还原反应)中的活性和稳定性均达到了美国能源部(DOE) 2020年的目标。为了进一步提高金属间化合物纳米晶的电催化性能,需要对影响纳米晶电催化性能的因素进行深入研究。本文综述了铂基金属间化合物纳米晶的研究现状,着重介绍了铂基金属间化合物的可控合成策略及其在电催化领域的最新研究进展,分析总结了该领域存在的问题,并展望了其未来发展方向。     

金属间化合物电催化剂在氢电转换器件应用中的研究进展

人类对可持续能源的高度重视,使得绿色环保的氢能成为研究热点。能量转换和存储技术（如燃料电池和电解水）可实现氢能源和电力的相互转换,但实现这些技术的前提是需要开发高效稳定的催化剂。结构有序的金属间化合物具有确定的组成和可调控的几何效应和电子效应的优势,已被探索作为能量转换和存储技术的有效电催化剂,金属间化合物表面均匀的活性位点分布也有利于研究催化剂活性和结构之间联系（即构效关系）的理想模型。本综述首先介绍了氢电转换装置催化剂所面临的挑战以及金属间化合物在电催化中的优势,其次从活性和稳定性的角度重点论述金属间化合物在氢电转换装置中的研究进展,最后总结并展望了金属间化合物电催化剂未来的发展前景。     

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。     

通过调控晶体结构提高氧气还原反应电催化活性:MPt金属间相纳米晶（英文）

燃料电池的正极主要发生氧还原反应(ORR),但是该反应的动力学速率较慢,需要催化剂来降低反应的过电势.目前商用的催化剂是碳载铂纳米粒子催化剂,但是铂高昂的价格严重阻碍了燃料电池的大规模商业化.近年来的理论和实验研究表明,过渡金属(M)与铂(Pt)形成的纳米晶合金(MPt)能够作为有效的ORR催化剂,同时由于引入价格低廉的过渡金属,催化剂成本有所降低.然而,即使合金化的催化剂具有良好的初始催化性能,但是在燃料电池的实际操作环境,即高电压、高温和酸性条件,长时间运行之后,过渡金属很容易被腐蚀流失,从而留下表面配位数较低的铂原子,而这些铂原子对ORR反应几乎没有催化作用,导致催化剂逐渐失活,燃料电池的输出功率逐渐降低.最近一些研究表明,铂基催化剂在一定条件下,例如加热,能够发生固态相变,形成结构有序的即金属间纳米晶(iNCs).与无序排列的合金相比,这种有序的MPt能够调控表面铂原子与含氧中间体的结合能,可以进一步提高ORR活性;同时,由于在金属间纳米晶中铂原子与过渡金属原子具有很强的相互作用,过渡金属在酸性溶液中也不容易被腐蚀,从而大大提高了催化剂的稳定性.本综述以FePt,CoPt和PbPt为例,总结了它们的相变规律和条件,同时关注它们的合成-结构-性能的构效关系,突出金属间结构在提高活性和稳定性方面的优势.最后,为了进一步提高MPt金属间纳米晶的活性,我们提出一些可能的方向和观点,包括:(1)在实现无序-相变的同时实现形貌调控来提高催化剂活性;(2)关注尺寸效应,尽可能减小MPt金属间纳米晶的尺寸,提高铂的利用率,从而提高催化剂活性;(3)关注材料的有序程度,尽可能提高材料的有序度,充分发挥金属间纳米晶对于氧还原反应的优势     

Pt基金属间化合物及其在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的应用

质子交换膜燃料电池是一种能够将燃料的化学能直接高效地和环境友好地转化为电能的绿色能源技术。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、启动快速、零排放或者低排放等优点,被认为是后石油时代最为重要的能源替代技术之一。然而目前使用的电催化剂存在铂用量高和稳定性不足等问题。开发高性能低Pt催化剂对于降低质子交换膜燃料电池成本、促进质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用具有十分重要的意义。Pt基金属间化合物是一类具有严格元素化学计量比和规整原子排列结构的合金化合物,其氧还原反应催化活性明显优于相应的Pt基无序合金及纯Pt催化剂,被认为是最具应用前景的低Pt催化剂之一。本文着重从催化机理、制备技术、组成调控、颗粒度调控、形貌调控和晶体结构等几个方面介绍了Pt基金属间化合物催化剂近来的研究进展,以及这类催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的应用研究情况,指出了这类催化剂目前尚存在的不足及挑战,并展望了未来的研究发展思路及方向。     

Pt基金属间化合物电催化剂

Pt基合金化是提高Pt系催化剂的催化活性、选择性及稳定性的常用手段,Pt基合金按其结构有序性可分为两类,一类是Pt基无序固溶相合金,常用的商用PtRu催化剂即属此类;另一类则是结构有序的Pt基金属间化合物.Pt基金属间化合物由于其特有的优点而近年来被广泛地关注.本文综述了近年来金属间化合物在低温燃料电池中的应用进展,主...     

金属间化合物电催化剂Pt1Te1/XC-72的制备及其电催化氧化甲醇性能

以氯铂酸和亚碲酸钠为前驱体,采用两步法在醇水体系下得到负载型Pt1Te1金属间化合物前驱体,通过热处理得到负载型金属间化合物电催化剂Pt1Te1/XC-72.采用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）、电子能谱（EDS）和循环伏安方法（CV）对催化剂进行表征.结果表明：所得产物呈有序金属间化合物Pt1Te1结构,平均粒径4.5nm,在碳载体上具有很好的分散性;负载型金属间化合物电催化剂Pt1Te1/XC-72具有较高的电催化氧化甲醇活性,其优秀的催化氧化甲醇活性与Pt形成金属间化合物后所带来的几何及电子结构改变密切相关.     

低温燃料电池非铂催化剂研究进展

简要综述了近年来低温燃料电池阳极和阴极催化剂的研究进展.阳极催化剂主要介绍了金属碳化物、Pd合金以及钙钛矿型氧化物三种,讨论了阳极催化剂对燃料氧化过程的催化活性和抗CO中毒能力;阴极催化剂则重点介绍了过渡金属大环化合物、氮化物以及氧化物,并较详细地阐述了过渡金属大环化合物的反应活性中心、金属-载体相互作用以及化合物制备条件.由于阴极非铂催化剂存在制备过程较复杂、中间产物过氧化物易破坏催化剂结构等问题,仍需探索新型的非铂催化剂.     

高载量PtNi金属间化合物的氧还原电催化性能

采用改进的多元醇法制备了PtNi(原子比1∶1)质量分数为60%的高金属载量碳载PtNi合金(PtNi/C), 通过在450 ℃下退火处理获得了碳载PtNi金属间化合物氧还原电催化剂. 该催化剂对氧还原的质量比活性和面积比活性分别是商业化Pt/C(JM Pt/C)催化剂的1.66和2.3倍; 并且加速耐久性测试后PtNi金属间化合物催化剂的质量比活性仍与Pt/C的初始性能相当, 耐久性得到了大幅提升. PtNi/C金属间化合物催化剂氧还原活性和稳定性的提高归因于PtNi的有序原子排布结构及催化剂表面零价金属含量的提高.     

三元合金氧还原电催化剂

质子交换膜燃料电池作为重要的电化学能源转换装置,在提高能量转换效率、减少环境污染等方面具有诱人的前景.然而,阴极氧还原过电位较大、活性较低、稳定性差,且铂基催化剂昂贵,使该燃料电池难以商业化.纳米结构电催化剂的发展有望解决此难题。对纳米合金电催化剂其组分和结构的设计是开发高活性、高稳定性和低成本的燃料电池电催化剂的重要因素.本文综述了近期由分子设计和热化学控制处理法制备的三元纳米合金电催化剂对燃料电池氧还原反应催化性能的最新进展.该方法可控制纳米合金的尺寸、组成以及二元和三元纳米催化剂的合金化程度.以高活性的三元纳米合金催化剂PtNiCo/C为例,综述了在设计燃料电池电催化剂时结构和组成的纳米级调优的重要性.PtNiCo/C电催化剂的质量比活性远高于其二元合金催化剂和Pt/C商业电催化剂.三元电催化剂的催化活性可通过控制其组成来调节.文章还讨论了三元纳米合金催化剂的结构及其协同效应对增强其电催化性能的影响.     

聚合物膜燃料电池阴极非Pt催化剂

简要介绍了聚合物膜燃料电池（PEMFC）的特点及其存在的主要技术问题。综述了PEMFC阴极非Pt催化剂的研究进展,重点讨论了过渡金属硫族化合物、过渡金属合金、过渡金属氮化物、过渡金属氧化物以及过渡金属大环化合物等非Pt催化剂对氧还原反应（ORR）的催化活性、化学或电化学稳定性以及耐甲醇能力等性能,提出了阴极非Pt催化剂存在的问题以及发展趋势。Ru基硫族化合物、Pd基合金和过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能,有望成为PEMFC阴极Pt基催化剂的替代材料。     

基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展

利用可再生能源产生的电能电解水制取氢气,被认为是下一代清洁能源的最佳选择之一。然而,通过电解水可持续的产生氢气需要高活性的催化剂来使得反应有效地进行。基于类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂展现出巨大的潜力,因而备受关注。本文主要结合我们课题组近期在析氢反应电催化剂方面的研究,介绍了类石墨烯二维材料的析氢反应电催化剂的研究进展,主要包括过渡金属二硫族化合物、前过渡金属碳化物(MXenes)以及硼单层纳米片等。最后总结和展望了析氢反应电催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

碱性介质中非贵金属氧还原催化剂的结构调控进展（英文）

碱性介质中的氧还原反应是金属-空气电池和阴离子交换膜燃料电池的重要电化学过程。但是,其动力学缓慢,因而引起了对高效电催化剂的广泛研究。其中,非贵金属催化剂可有效地规避铂基催化剂成本和储量的问题,而备受关注。但其挑战在于将性能提高到可与Pt基催化材料媲美。鉴于非贵金属催化剂的组成和结构对催化性能有着至关重要的影响,精准地调控催化剂的结构有望消除非贵金属催化剂和商业铂基催化剂的活性差距。在该评述中,我们致力于总结通过结构调控来提升性能的研究进展。我们首先介绍了四种极具代表性的非贵金属催化剂,包括非金属碳基材料、金属化合物、石墨化碳层包覆金属颗粒、原子分散的金属-氮-碳材料,突出了催化活性位点和催化机理。随后,针对于这些催化剂,我们归纳了从微纳尺度到原子层面的结构调控策略,如分级多孔结构的设计、界面工程、缺陷工程以及原子对活性位点的构建。我们着重讨论了结构和性能之间的依赖关系。从加速传质、增加可及的活性位点数量、可调控的电子状态和多组分之间的协同效应,讨论了这些结构变化引起的活性改进的起源。最后,我们对该领域存在的挑战以及未来的前景进行了展望。     

低温燃料电池氧电极催化剂*

氧电极催化剂及缓慢的阴极氧还原动力学是制约低温燃料电池商业化的关键瓶颈因素之一。为此,国内外研究者近年来从提高低温燃料电池氧电极催化剂的催化活性和稳定性、降低催化剂的成本、发展非贵金属氧还原催化剂等方面开展了大量的研究工作,有力地促进了低温燃料电池的发展进程。本文在简要介绍低温燃料电池氧电极反应机理的基础上,从催化剂载体、贵金属及其合金催化剂、金属大环化合物及M-N/C类催化剂和过渡金属硫族化合物类催化剂等方面详细综述了低温燃料电池氧电极催化剂近年来的主要研究进展,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向。     

钯基氧还原和乙醇氧化反应电催化剂：关于结构和机理研究的一些近期见解（英文）

质子交换膜燃料电池和直接乙醇燃料电池已成为可持续性清洁能源研究的一个聚焦点。在燃料电池中,氧还原反应和乙醇氧化反应是两个重要的反应,其相关高活性、高稳定性并且廉价的催化剂的研发仍然存在很多问题,极大地制约了燃料电池的大规模商业化应用。其中的挑战主要来自于对纳米催化剂结构和反应机理的有限认识。由于实验表征理论计算的结合,对钯基合金纳米材料电催化剂的研究得到了很大的进展。本文从实验和理论计算两个方面出发,重点讨论了应用于氧还原反应和乙醇氧化反应的钯和钯基电催化剂的结构和反应机理方面的近期研究的一些见解。这些见解对未来催化剂的设计与优化有一定的启发意义。     

金属有机化合物框架材料衍生M-N/C类氧还原电催化剂

过渡金属及氮共掺杂的碳基催化剂(M-N/C)由于具有几乎可以媲美铂的氧还原活性,已成为最为重要的一类非贵金属催化剂,被誉为最有可能在未来应用于燃料电池的一类非贵金属催化剂。金属有机化合物框架材料(MOFs)作为一种新型的结构规整的多孔材料,具有高孔隙度和形貌尺寸可控等特点,成为制备各种高性能掺杂碳基催化剂的良好前驱体,与过渡金属、氮和碳源的复合前驱体相比,以其为原料制得的衍生M-N/C催化剂往往表现出更优越的结构与性能,具备更好的应用前景,相关研究已成为燃料电池电催化领域的热点研究课题。本文系统地介绍了近年来国内外以MOFs为前驱体制备M-N/C催化剂的相关研究工作,包括:MOFs 衍生碳催化剂的制备技术,提升MOFs衍生碳催化剂结构及性能的研究以及这类催化剂表征技术的研究工作。总结和讨论了MOFs衍生M-N/C催化剂尚存的若干重要问题并提出了解决问题的可能举措,对这类催化剂的发展及应用进行了展望。     

镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂用于析氢和析氧反应（英文）

开发高活性、低成本的析氢反应和析氧反应电催化剂对于能源的可持续发展至关重要。金属有机框架衍生的纳米材料已经成为一类非常有前景的非贵金属双功能电催化剂,但是目前对镍基金属有机框架衍生的双功能电催化剂的深入研究并不全面,其催化活性和稳定性还有待进一步提高。本文制备了一种棒状多孔碳负载镍纳米颗粒的新型电催化剂,并将其用作电催化析氢和析氧反应。实验研究结果表明该类电催化剂表现出优异的析氢和析氧反应活性和长期稳定性,在10 mA·cm~(-2)的电流密度下,析氢反应和析氧反应的过电位分别为120和350 mV。我们认为:材料可控的纳米结构和均匀分布的活性位点共同提升了复合材料的电催化性能。     

Fe/Co和Ni/Co镍黄铁矿型析氢反应电催化剂

作为析氢反应的电催化剂,富金属的过渡金属硫化物因能克服富硫金属催化剂所存在的如导电性有限和缺乏必要的纳米结构等不足,近年来受到越来越多的关注.本文介绍了具有镍黄铁矿型结构的三元富金属硫化物复合材料FexCo9-xS8和NiyCo9-yS8(x=y=0-4.5)的合成、表征及其电催化研究.首先,研究了二元钴化合物Co9S...