对电极材料对非贵金属电催化剂耐久性评价的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)环境友好,具有高的能量转换效率,已受到了广泛的关注.目前,铂基电催化剂广泛使用在 PEMFCs中,但铂的储量有限,活性低,耐久性差,成本高,急需开发高性能的非贵金属电催化剂替代铂基电催化剂.非贵金属电催化剂的电化学表征基本上都沿用了铂基电催化剂的评价体系和方法,不一定适用于非贵金属电催化剂的表征.
　　本文选用铂和石墨为对电极考察其对非贵金属电催化剂在酸性电解质中耐久性测试的影响.当使用铂对电极时,商业 Pt/C电催化剂的氧还原(ORR)活性随着耐久性测试圈数的增加而降低,而非贵金属电催化剂的氧还原活性在耐久性测试过程中的变化规律与商业 Pt/C不同,呈现先降低,后升高的规律.耐久性测试前后的透射电镜(TEM)分析表明非贵金属电催化剂经过耐久性测试后,在电催化剂表面生长了铂纳米颗粒.高分辨透射电镜(HRTEM)和能量色散 X射线光谱(EDX)进一步证明以铂为对电极的三电极体系,在进行非贵金属电催化剂耐久性测试的过程中,非贵金属电催化剂表面生长了铂纳米颗粒,使得非贵金属电催化剂的 ORR活性在耐久性测试后得到显著提高.耐久性测试前后,非贵金属电催化剂氧还原过程的电子转移数由3.7变为4.0,再次证明了耐久性测试过程中铂颗粒的生成.在三电极电化学体系中,当工作电极发生阴极反应时,对电极为阳极反应,反之亦然,即在工作电极上发生的任何电化学过程,都会在对电极上完成相反的电化学过程.在循环电位扫描过程中,当铂对电极的电压高于1.0 V (vs RHE)时,开始发生铂的溶解现象,并且当电压高于1.2 V (vs RHE)时,铂的溶解量会急剧增加,部分溶解的铂会扩散到工作电极附近,并在工作电极的非贵金属电催化剂表面发生沉积作用.随着扫描圈数的增加,沉积的铂纳米颗粒的数量增加,颗粒变大,从而使非贵金属电催化剂的表观 ORR活性显著提高.该现象使得非贵金属电催化剂在酸性电解质中无法表现出其真实的耐久性.当选用石墨棒为对电极材料时,非贵金属电催化剂在酸性电解质中的 ORR活性不会受到对电极材料的影响.
　　通过考察对电极材料对非贵金属电催化剂在酸性电解质中耐久性能的影响,可以得出结论,即对非贵金属电催化剂在酸性电解质中的耐久性测试中,不宜使用铂对电极,应该使用石墨为对电极材料,以防止对电极材料干扰耐久性测试.     

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展（英文）

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 m V的过电位,与金属铂(约200 m V)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（英文）

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.     

非贵金属单原子催化剂的进展与展望（英文）

由于良好的催化活性和稳定性,贵金属催化剂已经被广泛应用于各种异相催化反应中,但是贵金属的稀有性和高成本无法满足未来日益增长的催化需求.2011年,张涛课题组成功地制备了高效、稳定的铂单原子催化剂.高效的单原子催化剂利用单个活性位点作为催化活性中心,可能会成为连接同相催化和异相催化的桥梁.然而从经济适用的长远角度考虑,将非贵金属催化剂缩小到原子尺度是否也会展现出优良的催化活性;是否有潜力替代目前已被广泛应用的贵金属催化剂?虽然现阶段非贵金属催化剂的催化性能仍无法达到贵金属催化剂的标准,但是已有相关研究从理论和实验上报道了非贵金属单原子催化剂及其优异的性能表明了其在未来发展中极其重要,因而,可以预见这两个疑问的答案都是肯定的.单原子概念的出现不仅为提高贵金属的催化性能及成本的降低指明了方向,同时也为制备具有高催化活性、甚至可与贵金属催化剂相媲美的非贵金属催化剂提供了可能性.我们在上述背景下,阐述了对单原子的概念日益加深的机制认知,并从理论和实验上概述了非贵金属单原子催化剂近期的发展情况,指出了目前的在单原子催化剂领域需要解决的一些问题,最后,针对研究现状,我们对未来单原子的发展提出了相应的展望.单原子催化剂具有较高的表面能,因而,如何寻找合适的基体与单原子相互作用,进而,使基体材料像一只手一样稳固地"抓紧"单原子,因而,降低其高表面能则是发挥优良催化性能的基础.强金属–基体相互作用(SMSI)不仅可以将单原子限制在基体表面,亦会影响整个催化过程.目前应用于单原子催化剂的基体种类很多,如金属氧化物、金属以及其他材料,而对SMSI认知则主要分两大类,一类是源自于基体表面的结构缺陷,另一类是源于其电子缺陷.从目前的发展状况来看SMSI机制仍有很多疑惑尚未解决,例如对电子转移影响的认知等.理论研究表明,在某些反应中非贵金属单原子展示出可替代贵金属的催化性质.比如,在一氧化碳优先反应(PROX)中,单原子钴和钛展示出的催化性能可与贵金属相媲美;理论计算同样证明单原子镍在一氧化碳还原中的催化活性比单原子铱优秀,甚至与单原子铂类似.大量的实验进展也报道了非贵金属单原子同样能在其他反应中展现出优异的性能,如氧析出反应(OER)、氢析出反应(HER)和氧还原反应(ORR).对于单原子催化剂,还有很多问题需要我们去解决,例如基体对于催化过程的具体影响、非贵金属的电子结构对于其催化性能的影响,以及单原子在基体上产生相互作用的位点等问题.纵然有许多问题需要更加深入的研究,但是单原子概念的出现,使得非贵金属催化剂材料取代传统贵金属催化剂成为了可能.     

高活性和耐久性非铂氧还原催化剂的研究进展（英文）

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓,需要消耗大量的贵金属催化剂,这限制了其商业化应用。目前,原子级分散的M-N-C (M=Fe,Co,Mn等)催化剂受到人们青睐,有望替代铂催化剂。在过去的几十年里,M-N-C催化剂取得了很大的进步,具有优异的ORR活性,而且燃料电池初始性能有希望接近传统的Pt/C催化剂。然而,这些高活性的Fe-N-C催化剂在燃料电池实际工作条件下的稳定性比较差。这篇综述总结了在高效氧还原M-N-C催化剂方面的最近进展,主要概述了作者课题组在限域策略和自旋调控方面的贡献。此外,我们还总结了几种提高活性的有效方法以及近期的关于揭示M-N-C催化剂的降解机制的认识,如金属浸出、碳腐蚀、质子化和微孔淹没都会造成催化剂降解。为改善M-N-C催化剂的寿命,我们概括了文献中的缓解策略,包括控制催化剂中S1/S2位点、使用非铁基催化剂、增强金属氮键、改善碳载体的耐腐蚀性和使用质子缓冲液等。最后,提出了目前原子级分散的M-N-C催化剂的存在的挑战和可能的解决方案。     

MXene负载的非贵金属单原子催化剂催化CO氧化反应（英文）

单原子催化剂是一类新型的环境友好催化材料,在能源有效利用和环境保护中发挥着至关重要的作用.发展廉价高效的贵金属催化剂具有十分重要的科学意义和实用价值.近年来,非贵金属部分或者全部取代贵金属的研究也备受关注,成为催化领域的研究热点之一.MXene是由MAX相刻蚀得到的新型类石墨烯结构.MAX相的分子式为M_n+1AX_n(n=1,2,3),其中M代表前过渡金属,A代表主族元素,X代表C和/或N元素.由于M-X具有较强的化学键能,A具有较活泼的化学活性,因此,可以通过选择性刻蚀作用将A从MAX相中移除,从而得到类石墨烯的2D结构一MXene.各类MXenes二维材料因具有广泛的应用价值和较好的物理化学性能而引起了人们的广泛关注,尤其在单原子催化方面,MXenes表现出巨大的应用潜力.本文选取氧功能化的Ti₂C (Ti₂CO₂) MXene二维材料为载体,系统研究了其负载的金属单原子催化剂(SACs)的稳定性和催化活性.通过筛选周期表第8-11族过渡金属M₁/Ti<...     

铜基非贵金属异相催化剂在环境修复中的应用（英文）

近年来,全球经济和工业高速发展带来的环境问题,不仅严重影响着经济社会的可持续发展,更极大地危害着人类健康.石油化工、医药生产和交通运输等过程产生的气、液、固相污染物可直接或间接造成臭氧层空洞、光化学烟雾及水体污染等重大环境问题.气相污染物中,CO和可挥发性有机物(VOCs)不仅具有生物毒性,更是形成光化学烟雾等大气污染的主要前驱体.NO_x和SO2会造成酸雨的形成,极大地破坏生态系统.工业废水中难分解的有机污染物可对环境造成持续性破坏.而不完全燃烧产生的碳烟颗粒物不仅影响气候和大气环境,同时可导致心血管疾病高发,危害人体健康.源头控制是环境污染治理的关键,而催化净化是当前污染物源头控制最有效的技术之一.因此,设计和开发稳定、高效的环境修复催化剂是科学家们面临的一个关键问题.传统贵金属(Pt,Rh,Pd)催化剂虽然催化活性高,但是存在价格昂贵且易中毒等不足.而过渡金属及其氧化物因具有高活性、价格低廉和高储量等特点有望成为贵金属的替代催化剂.铜是具有3d轨道的过渡金属,有活泼的物理化学性质,是工业中大量应用的有色金属.铜基氧化物因高氧化还原电势和低环境危害被广泛应用于热催化、电催化和光催化.基于文献报道,铜基催化剂主要分为三类:铜氧化物(CuO_x),负载型铜氧化物(CuO_x/support)和固溶体铜氧化物(CuO_x-X).本篇综述首先探讨了铜氧化物的价态、晶体结构、形貌、暴露晶面以及载体与催化剂活性之间的内在联系,阐明铜基催化剂结构与性能的构效关系及高效催化剂的设计原则;继而全面总结了近年来不同类型的铜基材料在催化净化环境污染物中的应用,主要介绍了以下5类反应:CO的催化氧化,NO_x的选择性催化还原(SCR),VOCs的完全燃烧,废水中有机污染物降解,以及碳烟颗粒物催化燃烧.我们深入阐述铜氧化物的催化活性位点和催化机制;分析负载型铜基催化剂的比表面积、分散度、协同作用和界面作用对催化剂的活性和稳定性的影响;阐明固溶体催化剂的独特原子组成设计与性能关系,为高效催化剂设计提供思路.此外,本综述对铜基催化剂在环境催化中的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析与展望.通过铜氧化物表面调控,复合催化剂的界面调控,具有更高稳定性和抗中毒性的高效催化剂有望开发成功,而团簇及单原子铜催化剂也有望在此领域有所突破.     

氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展

质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换装置,具有环境友好、能量密度高、转化效率高等优点,能够应用于便携能源及燃料电池电动车领域.但燃料电池阴极氧还原需要大量的铂基催化剂,铂价格昂贵、储量有限、易中毒的缺点限制了它的实际应用.因此,开发低成本、高活性、高稳定性的阴极非贵金属催化剂将能够显著推动质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用.其中碳基非贵金属催化剂作为最有可能替代铂的氧还原催化剂,引起了广泛的研究.基于此,本文首先简单介绍了氧还原的机理;其次将碳基非贵金属催化剂分为过渡金属氮碳催化剂和非金属掺杂碳催化剂,对它们在材料制备和活性中心的研究进行了总结和讨论;最后,报道了碳基非贵金属催化剂在质子交换膜燃料电池单电池中的应用进展.     

碳纳米管负载的Pd-Ag-Sn催化剂对甲酸的电氧化（英文）

采用硼氢化钠还原的方法合成了碳纳米管负载的钯基纳米催化剂(Pd/CNT,Pd_7Ag_3/CNT,Pd_7Sn_2/CNT,Pd_7Ag_1Sn_2/CNT,Pd_7Ag_2Sn_2/CNT和Pd_7Ag_3Sn_2/CNT)。通过XRD,TEM和XPS对其进行了表征,结果表明,相比Pd/CNT和Pd-Ag(或Pd-Sn)催化剂的纳米颗粒,Pd-Ag-Sn催化剂展现出了更小的平均颗粒尺寸(2.3 nm)。此外,还通过循环伏安(CV)和计时电流法(CA)测试了这些催化剂对甲酸氧化的电活性,在酸碱介质中,Pd-Ag-Sn/CNT对甲酸氧化都表现出了更高的电流密度。其中,Pd_7Ag_2Sn_2/CNT催化剂在酸碱介质中的电流密度分别是108.8和211.3 mA·cm~(-2),相应的Pd质量电流密度高达1 364和2 640 mA·mg~(-1),远远高于商业Pd/C,表明Pd-Ag-Sn/CNT催化剂对甲酸氧化表现出了极好的电催化活性。     

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。     

以金属有机骨架为前驱体的高活性氧还原非贵金属催化剂制备（英文）

燃料电池具有能量转化效率高、功率密度高、低温操作、无污染等优点,因而在电动汽车动力源、移动式电源及分散电站等领域具有广阔的应用前景.Pt/C催化剂是目前使用最广泛的燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的催化剂,然而其有限的储量、较低的稳定性、易CO中毒等缺点限制了燃料电池的大规模商业化,因此研制高活性和稳定性的非贵金属催化剂以代替Pt/C催化剂显得至关重要.金属有机骨架(MOFs)是由金属阳离子和有机配体配位而成的结构可调的空间三维材料,其作为前驱体制备非贵金属ORR催化剂具有独特的优势:(1)MOFs的三维晶体结构可以提供高的活性位点密度;(2)有机配体可以在热解的过程中转化为碳支撑体,使得活性金属物质和碳支撑体可以同时生成;(3)可以调节形成MOFs的金属离子和有机配体来设计一定特性的MOFs结构,从而制备结构和功能可调的催化剂;(4)MOFs具有可调控的孔径尺寸及可修饰的孔道表面,其较大的比表面积和不同孔隙分布有利于吸附反应物氧气分子,而且可以得到不同元素和金属掺杂的多孔碳材料.因此,本文选择MOF材料ZIF-67作为前驱体,通过在500–900°C高温热处理制备了非贵金属ORR催化剂,在0.1 mol/L KOH溶液中进行电化学测试,发现其中600°C热处理得到的催化剂的活性较好.为了进一步提高催化剂的导电性和分散性,对该催化剂进行了BP 2000碳载处理.电化学测试发现,该催化剂的ORR活性进一步提高:当载量为1.0 mg/cm2时,其ORR起始电位和半波电位分别达1.017和0.857 V(vs.RHE),与商业化Pt/C(20μgPt/cm~2)的性能相近.透射电镜结果表明,制备的催化剂为单质Co粒子镶嵌的N掺杂的多孔碳材料,其中Co粒子的粒径为10 nm左右,其存在可由X射线衍射测试得以确认.X射线光电子能谱表征显示,碳载得到的催化剂中N原子主要以吡啶型存在,后者可能起到一定的ORR活性位点作用,且其比表面积为296 m~2/g,高于未碳载的268 m~2/g,也有利于提高其电化学活性.结果还显示,与商业化Pt/C相比,碳载催化剂具有更好的抗甲醇性和稳定性.     

改性二氧化钛负载贵金属Ru催化剂催化降解苯胺溶液（英文）

苯胺类废水污染物具有结构复杂、浓度高、不易生物降解、生物毒性大等特点,传统的苯胺降解措施存在着许多弊端,很难达到排放标准.催化湿法氧化技术(CWAO)主要针对降解高浓度难降解的有机废水,表现出降解效率高、反应时间短、对生物毒性物质的废水降解效果良好等优点,越来越受到人们的重视.但催化剂在使用过程中,需要在高温高压下进行,且有机物降解产生了有机酸,使得催化剂的活性组分流失和载体的物理化学性质发生变化,导致其催化活性下降.因此,需要开发出一种降解活性高,性能稳定的催化剂成为此技术在工业中广泛应用的关键.本文采用溶胶凝胶法对二氧化钛进行改性,制备了Ti_(0.9)Zr_(0.1)O_2和Ti_(0.9)Ce_(0.1)O_2载体,采用过量浸渍法将三氯化钌负载到载体表面制备了2%Ru/Ti_(0.9)Zr_(0.1)O_2和2%Ru/Ti_(0.9)Ce_(0.1)O_2催化剂.在高温高压反应条件下,以苯胺为催化湿法氧化污染物,对不同催化剂湿法降解苯胺进行比较研究,系统地探究了催化降解的反应温度和反应压力对苯胺降解的影响.此外,利用HPLC-MS鉴定出催化降解产生的中间产物,确定了催化降解的反应路径图.在改性的催化剂中,2%Ru/Ti_(0.9)Zr_(0.1)O_2催化剂表现出最高的催化降解活性和稳定性.在初始苯胺浓度4 g/L,催化剂浓度4 g/L,反应温度180°C,O_2压力1.5 MPa下,反应时间5 h后,苯胺完全转化,COD转化率达88.3%.并且催化剂进行三次循环试验后,苯胺转化率仍接近100%.X射线衍射和N2物理吸附结果表明,Ce,Zr掺杂到TiO_2晶格中形成了共溶体,其晶格尺寸更小,比表面积和孔体积更大.负载贵金属后,并未出现其他晶相,说明贵金属均匀分散在载体表面.透射电镜结果表明,贵金属负载在改性TiO_2上表现出较好的分散性和较小的颗粒尺寸,为催化降解苯胺提供更多的催化活性位点,而Ru/TiO_2催化剂表面,贵金属发生团聚现象且颗粒尺寸大.X射线光电子能谱结果表明,Ce,Zr的掺杂使得TiO_2表面活性氧和四价Ru的含量增加,更多的表面活性氧成为催化降解苯胺的直接原因.H_2程序升温还原结果表明,在300-400oC处还原峰对应于催化剂载体晶格氧的还原,改性后,其还原峰增至2倍,即使在贫氧环境下,改性催化剂可以及时从载体中释放晶格氧,为催化降解苯胺提供更多的活性氧.     

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。     

燃料电池非贵金属催化剂的研究进展

目前,燃料电池中普遍使用的是贵金属铂基催化剂,但其价格昂贵,资源日渐匮乏,严重阻碍了燃料电池的商业化应用,所以寻找低成本、高催化活性和高稳定性的非贵金属催化剂一直是人们关注的研究热点之一。本文阐述了燃料电池非贵金属催化剂在金属氧化物、金属络合物、非金属掺杂的碳基催化剂等三个方面的研究进展,并对其未来的发展趋势提出展望。     

二维材料限域单原子催化剂研究进展（英文）

近年来,单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前,多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂,包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能,因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质,并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.二维材料兴起于石墨烯的成功剥离,随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂,其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下:(1)二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用,使其催化性能更为独特;(2)二维材料通常具有巨大的比表面积,这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度;(3)单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点,增加碰撞几率并降低传质阻力;(4)二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂,其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究;(5)二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.在这里,我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展,其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论,进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.     

非贵金属钴、氮共掺杂碳纳米管负载纸衍生多孔碳电催化剂的制备及其氧还原性能研究（英文）

燃料电池可以直接将化学能转化为电能,是一种极具前景的能量转换设备.目前,铂碳是燃料电池阴极氧还原反应(ORR)常用催化剂,但是铂储量低、价格昂贵、稳定性差且容易受CO毒化,极大地限制了其在燃料电池商业化中的应用.因此,探索价格低廉、性能优越的非贵金属氧还原催化剂显得尤为重要.大量研究发现,碳基材料具有优越的氧还原性能和良好的电化学稳定性.同时,自然界的生物质种类丰富,是很好的碳基材料来源.本文选取日常生活中最常见的富碳生物质废纸作为碳源,二氰二胺和乙酰丙酮钴分别作为氮源和钴源,经过特定气氛下的梯度升温制得非贵金属钴、氮共掺杂碳纳米管负载多孔碳氧还原催化剂(Co/N/CNT@PC-800).考察了杂原子N掺杂、过渡金属Co掺杂对材料形貌和性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、氮气吸附-脱附和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法探究了Co/N/CNT@PC-800材料的组成与结构,通过循环伏安法(CV)以及线性扫描伏安法(LSV)等电化学测试探究了其氧还原反应性能.SEM和TEM结果表明,Co/N/CNT@PC-800材料为表面生长着大量碳纳米管的多孔碳结构.这是因为二氰二胺和钴引入后,钴催化二氰二胺转化成碳纳米管.金属纳米粒子被封装在碳层之间和碳纳米管中而得到有效的保护,使之不易被酸腐蚀.同时,Co和N元素可以形成更多的活性位点(Co–Nx),增强材料ORR活性.SEM和氮气吸附-脱附结果显示,掺杂Co后,材料的介孔结构会进一步增加,形成微孔/介孔结构.多孔结构可以增强ORR相关物质(O2,H+,OH.,H2O)的传质速率,提升反应速率,达到增强ORR活性的效果.除此之外,多孔的结构也可以促进活性位点的暴露,进而提升材料的ORR性能.XPS结果显示,Co/N/CNT@PC-800材料中N主要以吡啶氮和石墨氮两种形式存在,而这两种类型的氮有利于促进ORR的进行.Raman光谱结果显示,在引入N和Co元素后,材料的缺陷结构有所增加,因而有利于电催化氧还原反应性能的提升.另外,LSV测试结果表明,在引入Co或者N后,材料催化ORR的起始电位、半波电位、极限电流密度均有小幅改善;同时引入Co和N后,Co/N/CNT@PC-800材料催化ORR的起始电位(0.005 V vs.Ag/AgCl)、半波电位(.0.173 V vs.Ag/AgCl)、极限电流密度(.4.117 mA cm.2)均有较大幅度的改善.通过Koutecky-Levich(K-L)方程计算以及旋转环盘电极测得的氧还原极化曲线结果均表明,Co/N/CNT@PC-800材料的氧还原反应是通过准四电子反应转移路径进行.此外,循环(3000圈CV)稳定性测试结果证明,Co/N/CNT@PC-800材料比商业化的Pt/C具有更好的稳定性.总之,本文采用简单的梯度升温法制备出非贵金属钴、氮共掺杂的碳基氧还原催化剂(Co/N/CNT@PC-800),为探索利用生物质制备电催化剂用于燃料电池提供了一种可供选择的途径.     

MoS_2非贵金属电催化剂担载对p-InP光阴极分解水性能的影响

将MoS2电催化剂担载在InP光阴极表面,提升了InP光阴极光电化学分解水产氢性能,确定了最优的MoS2电催化剂担载电量为15 mC·cm-2;在担载前后,开启电势由-100 mV移动至120 mV;在-0.35 V vs RHE时,电流密度由15 mA·cm-2提升至43 mA·cm-2。另外,通过改变入射光强和加入电子牺牲剂的方法进一步研究了MoS2担载InP光阴极产氢反应的限制步骤为光生电子与空穴在InP表面的复合。     

铅修饰纳米多孔铂催化剂对甲酸氧化的电活性（英文）

用合适金属修饰的铂催化剂能够显著增强其对甲酸氧化的电活性.本文以水热法制备了钛负载的纳米多孔铂电极(nanoPt/Ti),然后采用循环伏安法,通过扫描不同的周数(n),用适量的铅对nanoPt/Ti电极进行修饰,得到一种新型的铅修饰的纳米多孔铂电极(nano Pb_((n))-Pt/Ti).采用循环伏安(CV)、计时电流和计时电位法研究其对对甲酸氧化的电活性.CV结果显示nanoPt/Ti和nanoPb_((n))-Pt/Ti电极对甲酸氧化表现出较高的催化活性,并且nanoPb_((20))-Pt/Ti电极对甲酸氧化的起始电位为-0.06 V,相比nanoPt/Ti电极的起始电位(0.06 V),明显有所负移.此外,nanoPb_((20))-Pt/Ti电极的第一个氧化峰电流密度为12.7 mA·cm~(-2),远远大于nanoPt电极(4.4 mA·cm~(-2));计时电流显示在电位为0.1 V时,在0.5 mol·L~(-1)H_2SO_4+1 mol·L~(-1 )HCOOH溶液中,nanoPb_((20))-Pt/Ti电极达到稳定时的电流为8.09 mA·cm~(-2),是nanoPt电极的60倍,表明铅修饰的nanoPt/Ti对甲酸氧化的电活性急剧增加;在1.5mA、2 mA、2.2 mA和2.5 mA下的计时电位结果表明,nanoPb_((20))-Pt/Ti电极上甲酸氧化过程表现出显著的电化学振荡,且和nano Pt/Ti电极相比,振荡现象能持续更长的时间,说明nanoPb_((20))-Pt/Ti电极具有更强的表面抗毒化能力.     

电氧化异丙肾上腺素的纳米复合电催化剂:用作传感器（英文）

在金纳米粒子(AuNPs)上经苯硫酚衍生物(3,4二羟基苯基-偶氮-苯硫酚,DAT)自组装制得了一种新型纳米复合物,用于修饰玻璃碳电极(GCE/AuNP-DAT).采用循环伏安法研究了该新型电极的性质,并将其用作异丙肾上腺素(IP)电催化剂,考察了该纳米复合物的电催化活性,从而得到反应机理和催化反应速率常数.由于GCE/Au NP-DAT电极对尿酸氧化没有电催化活性,因此可将IP的氧化信号从该改进电极中分离出来,从而排除了尿酸对IP测定的干扰.该电极可作为传感器,当用于差动脉冲伏安法测定IP时,线性动态范围为1.0–1500.0μmol/L,检测极限为0.46μmol/L.     

有序多孔过渡金属氧化物及其负载贵金属催化剂对挥发性有机物氧化的催化性能（英文）

大部分的挥发性有机物(VOCs)污染环境,危害人身健康.目前,我国虽然已开展了治理VOCs污染的工作,但还缺乏有效的、拥有自主知识产权的VOCs治理技术,因此研发新型高效VOCs处理技术迫在眉睫.催化氧化法是公认的最有效消除VOCs的途径之一,而高性能催化剂的研发是实现该过程的关键.近年来,人们围绕消除VOCs的高效且价廉的催化剂的研发开展了卓有成效的工作,许多过渡金属氧化物、混合或复合金属氧化物及其负载贵金属催化剂均被认为是有效的催化氧化材料.与体相材料相比,多孔材料具有发达的孔道结构和高的比表面积,一方面有利于反应物的扩散、吸附和脱附,因而具有更高的催化活性和选择性;另一方面有利于活性组分(如贵金属等)在多孔材料表面的高分散,抑制活性组分的烧结,因而具有更好的催化稳定性.本文简述了近年来多孔金属氧化物在环境污染物消除领域的研究进展,阐述了以有序介孔或大孔过渡金属氧化物、钙钛矿型氧化物和负载贵金属催化剂的制备及其对典型VOCs(如苯系物、醇类、醛类及酮类等)氧化的催化性能,重点介绍了四类催化材料,包括有序介孔过渡金属氧化物或复合氧化物(Co_3O_4,MnO_2,Fe_2O_3,Cr_2O_3和LaFeO_3等)催化剂,有序介孔金属氧化物负载贵金属(Au/Co_3O_4,Au/MnO_2和Pd/Co_3O_4等)催化剂,三维有序大孔过渡金属氧化物或复合氧化物(Fe_2O_3,LaMnO_3,La_(0.6)Sr_(0.4)MnO_3和La_2CuO_4等)催化剂,以及三维有序大孔金属氧化物负载贵金属(Au/Co_3O_4,Au/LaCoO_3,Au/La_(0.6)Sr_(0.4)MnO_3和AuPd/Co_3O_4等)催化剂的制备及其物化性质与对苯、甲苯、二甲苯、乙醇、丙酮、甲醛、甲烷或氯甲烷等VOCs氧化的催化性能之间的相关性.借助二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯微球等硬模板,采用纳米浇铸法可制备出二维或三维的有序单一或多级孔道结构的金属氧化物.研究表明,多孔金属氧化物的催化性能远优于其体相甚至纳米催化剂的.有序多孔材料的优异催化性能与其拥有大的比表面积、高的吸附氧物种浓度、优良的低温还原性、独特的孔道结构、活性组分的高分散以及贵金属与氧化物载体之间的强相互作用等有关.探明影响催化剂活性的因素有利于从原子水平上认识催化过程,为新型高效催化剂的设计与制备奠定基础.本文还指出了此类研究中存在的一些问题,例如利用硬模板法制备多孔材料的缺点是目标催化剂的收率低,硬模板浪费严重,大规模制备多孔催化剂势必增加制备成本,这些问题有待于妥善解决.与此同时,还展望了VOCs消除技术的未来发展趋势,采用多种技术联用的方法有望最大程度地提高VOCs的消除效率.