电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展（英文）

对化石能源的依赖所造成的环境污染和能源危机在全球引起了广泛的关注.氢能由于其高能量密度、低分子质量以及清洁无污染的优点,被认为是人类根本性解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢的重要方法,是现代清洁能源技术的重要组成部分.水电解由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应构成.对于HER反应,其反应是基于二电子转移过程,反应过程相对容易进行.相比于HER反应,OER反应涉及四电子转移及氧-氧键形成,其反应动力学缓慢,是影响水电解效率的主要原因.因此,为了提高电解水制氢的能量转化效率,发展OER电催化剂成为水电解制氢技术的关键.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量地研究及报道并取得了长足发展.在这些催化剂中,金属磷化物和硫化物不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性方面正趋接近甚至超越RuO_2和IrO_2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文总结磷化物和硫化物作为OER电催化剂的研究进展,重点介绍了磷化物和硫化物性能提升策略及其在OER过程中催化反应活性位的变化.本文首先介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,讨论了析氧反应在动力学和热力学过程的主要障碍.通过对大量文献的归纳,本文分别综述了磷化物和硫化物的化学性质、合成方法和催化性能,介绍了近年来磷化物和硫化物的重要研究进展.通过分析催化剂导电性、质子传输、活性面积、界面化学等因素对催化析氧反应的影响,总结了磷化物和硫化物电催化OER性能提升的策略.由于磷化物和硫化物在OER强氧化条件下,电催化剂表面的成分、物相及结构均会发生显著变化,进而催化反应活性位也会发生相应改变.本文综述了磷化物和硫化物在OER反应过程前后表面组分的变化,探讨了磷化物和硫化物作为OER电催化剂的活性组分,为进一步提高磷化物和硫化物的电催化析氧反应性能提供了崭新的思路.     

基于四硫富瓦烯的无金属共价有机框架材料用于高效电催化析氧反应

共价有机框架(COFs)在电催化析氧反应(OER)中的应用得到了广泛的关注。然而,大多数无金属共价有机框架(COFs)的导电性较差,不利于OER反应。四硫富瓦烯(TTF)是一种良好的电子供体,具有快速的电子转移能力,将TTF整合到共价有机框架骨架中将有助于电子的转移。在此,我们报道了一种基于四硫富瓦烯的二维无金属共价有机框架材料,JUC-630。与不含四硫富瓦烯的同类材料(Etta-Td COF)相比,JUC-630具有较低的过电位(400 mV)和塔菲尔斜率(104 mV∙dec⁻¹)。本研究提出了合理设计功能基元的策略,这有助于大大提高COF材料的OER催化活性。     

过渡金属硫化物相关电催化剂的设计与应用研究（英文）

自从国际社会提出“碳达峰、碳中和”目标以来,人们越来越意识到节约资源、保护环境、开发新能源的必要性.氢能(H₂)作为最具竞争力的清洁能源之一,引起了研究人员的广泛关注.电化学全解水被认为是一种利用风能和太阳能产生氢气的有效技术,其主要由两个半反应组成:析氧反应(OER)和析氢反应(HER).然而,在实际工业化生产过程中阳极反应动力学OER慢,能量转换效率低,阴极反应稳定性差,导致经济效益不理想,因此,急需开发和探索耐久高效的电催化剂.过渡金属硫化物因具有独特的结构特征、丰富的活性位点和可调控的电子性质和组成,而被广泛用于电化学全解水制氢.本文综述了过渡金属硫化物的合成方法,一般包括:水热(溶剂热)法、电化学沉积法、液相剥离法、化学气相沉积法和球磨法,并概述了不同方法的基本概念、合成步骤以及优缺点.总结了近年用于电催化领域中典型单一硫化物(包括MoS₂,WS₂,Co₃S₄,Ni₃S₂等)材料的合成方法和机理,明确了S元素在整个电催化过程...     

基于醌基的共价有机框架用于电催化析氧反应

将蒽醌作为构筑单元设计合成了醌基功能化的新型2,6-二氨基蒽醌共价有机框架(DAAQ-COF). 粉末X射线衍射、 氮气吸附-脱附、 红外和热重等分析结果表明, DAAQ-COF具有高的结晶度和比表面积(577 m²/g). 此外, 醌基功能化的无金属DAAQ-COF显示出高的析氧反应(OER)活性(10 mA/cm²下, 过电位389 mV, Tafel斜率135 mV/dec). 这源于引入的醌基基团有效改变了COF框架的电子结构和化学特性, 加上COF材料本身的高结晶度和比表面积, 使得反应物能更有效地与活性位点接触, 从而促进OER进程. 这些结果表明合理地设计功能化的COF材料能够进一步推动此类材料在电催化领域的应用.     

具有高效析氧催化性能的铁基双元金属有机框架纳米棒研究

析氧反应(OER)是电解水制氢的关键步骤,开发高效、稳定、廉价的OER电催化剂是目前该领域的研究热点.碱性电解液中的OER电催化剂成分以Mn、Fe、Co、Ni等为主,其中单一组分的Fe基化合物催化活性不高,但碱性电解液中的痕量铁杂质极易掺入Ni、Co等非Fe基材料的结构中,极大影响其OER催化性能,即现有大部分非Fe基...     

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。     

钴基类沸石咪唑酯框架材料衍生的析氧反应活性催化剂（英文）

析氧反应(OER)在能量转换和储存技术中扮演着重要角色,例如在水分解和金属空气电池中,电催化剂的发展是主要任务.本文采用钴基的类沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)作为前驱体,在氩气保护气氛下,成功制备了氮掺杂钴镍磷多孔碳多面体电催化剂(CoNiP/NC).首先,采用ZIF-67作为前驱体,将ZIF-67和六水合硝酸镍按照一定比例在乙醇溶液中搅拌30 min,达到掺杂镍的目的,然后将其在不同温度下煅烧,得到的样品在300 oC氩气保护气氛下磷化,得到最终产物.所有电催化剂均通过控制碳化和磷化作用温度获得.通过对样品ZIF-67Ni进行EDS分析,证明镍成功负载到ZIF-67上,XPS结果也证明了这一点.由扫描电镜图可以看出,前驱体ZIF-67在负载Ni之后,样品表面形貌发生明显变化,表面变得粗糙,有明显的条文.磷化后样品的XRD结果说明磷化方法是成功的,同时XPS结果表明样品中有P元素存在.从扫描电镜图片可以明显看出,样品在煅烧之后表面形貌发生明显变化,由棱角明显变为表面粗糙,但是并未发生明显的团聚现象.XPS显示,样品CoNiP/NC700(700指煅烧温度(oC))中存在钴、镍、磷、碳、氮、氧这六种元素,另外还分析了其高分辨图.结果显示,电催化剂CoNiP/NC700表现出优越的电催化效率,在碱性溶液的电流密度10 mA/cm~2条件下,其开路电压约为220 mV,过电位约为300 mV.掺杂镍之后的样品性能比煅烧ZIF-67的样品好,说明镍对于提高析氧反应效率有益;同样,磷化之后样品的OER性能也有所提高.相比较而言,对于磷化之后的样品,煅烧温度是700℃时,OER催化效率最好.磷化杂化材料优越的电催化活性是由于其强的电子耦合相互作用而产生的协同效应,在镍、磷、碳等方面具有较强的协同效应.相互联系的非定形碳不仅固定了活性碳化合物以避免聚集,而且还为电子转移提供了传导通道.对样品CoNiP/NC700进行了稳定性测试,结果表明其稳定性较好,在循环10 h之后,活性仅下降了4%.这一研究表明,该复合电催化剂可能是电催化氧化反应的一个很有前景的候选催化剂.     

金属-有机框架原位转化合成无定形Fe基双金属氢氧化物催化剂催化析氧反应性能

传统化石能源的大量消耗使得能源短缺和环境污染等问题日益严峻.社会的可持续发展需要进行能源结构调整,寻求清洁、可再生的替代能源已迫在眉睫.氢能作为一种可再生能源,其热值高,燃烧产物无污染,是未来最理想的能源形式之一.水裂解制氢是公认的未来清洁制氢的一种有效途径.然而,无论是电催化或光催化水裂解反应,析氧反应都是关键的半反...     

基于金属有机框架衍生的Fe-N-C纳米复合材料作为高效的氧还原催化剂

Environmentally friendly and renewable energy technologies, such as fuel cells and metal-air batteries, hold great promise for solving current energy and environmental challenges. The oxygen reduction reaction (ORR) plays a pivotal role in this top-drawer question. However, the sluggish kinetics of the ORR and prohibitive costs limit the global scalability of such devices. Traditionally, platinum-based electrocatalysts exhibit the best performance for ORRs in both acid and alkaline electrolytes. However, to significantly reduce the cost and realize sustainable development, utilization of Pt must be replaced or significantly reduced in the ORR cathode for fuel cell applications. Therefore, developing earth-abundant and high-performance non-precious metal catalysts (NPMCs) for ORR is of critical importance for the commercialization of fuel cells. In comparison to traditional catalysts, metal-organic frameworks (MOFs) are ideal precursors that integrate metal, nitrogen, and carbon functionalities together into one ordered 3D crystal structure. MOFs, assembled by secondary building of units comprised of metals and organic linkers with strong bonding, have received significant research attention because they possess permanent porosity, a three-dimensional (3D) structure, and can be prepared using a diversity of metals and organic linkers. High surface area, and microporous carbon materials can be easily obtained by carbonization of MOFs at high temperatures. In particular, MOF-derived carbon nanocomposites, which were prepared from transition metals, and have the form M-N-C (M = Fe or Co), have demonstrated remarkably improved catalytic activity and stability. Herein, we report an NPMC material consisting of Fe₃C nanoparticles encapsulated in mesoporous N-doped carbon (Fe-N-C), synthesized by a simple strategy involving physical mixing of MIL-100(Fe) with glucose and urea, and subsequent pyrolysis under inert atmosphere. The strong interaction between metal atoms and nitrogen atoms is beneficial in generating more active sites, and sites with a higher intrinsic catalytic activity, via carbonization. The as-obtained catalysts exhibit remarkable ORR activity in alkaline media, with the best catalyst (Fe-N-C-900, which is synthesized at 900 ℃) featuring a more positive onset potential (0.96 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE)), a more positive half-wave potential (0.83 V vs RHE), a much higher diffusion limiting current density (6.28 mA·cm^-2) and a larger electron-transfer number (n), even at low overpotentials, compared with other contrast materials. Fe-N-C-900's excellent catalytic activity and stability in ORR are due to its large BET surface area, its large total pore volume, its nitrogen dopants, its active Fe₃C nanoparticles and the cooperative effects among its reactive functionalities.     

构建氧空位调控的钼酸钴纳米片用于高效催化析氧反应（英文）

析氧反应(OER)是金属-空气电池、电解水等绿色可再生能源转换与储存系统的核心反应,其复杂的4电子-质子耦合反应导致其动力学过程缓慢从而使得系统过电位较高,目前主要依赖于RuO₂或IrO₂贵金属催化剂提升其反应速率,但贵金属高成本和低稳定性严重限制其大规模应用.因此,开发高活性、高稳定性的廉价非贵金属催化剂具有重要的实际意义,已成为现阶段的研究热点.钼酸钴(CoMoO₄)作为典型的ABO₄型催化材料,不仅价格低廉、储量丰富,而且其双金属特性可构筑有效的活性位点提升OER反应动力学.前期研究发现,通过阴离子掺杂、氧空位工程、电子结构调控、表面修饰等策略可增强ABO₄型催化剂的OER催化活性.特别是氧空位工程可调节过渡金属氧化物的电子结构,提高其导电性能,增加催化位点活性,从而提高过渡金属氧化物的催化性能.本文在石墨毡(GF)上原位生长CoMoO₄纳米片,并提出一种简单的H₂/Ar还原策略精确调控CoMoO₄的氧化状...     

导电金属有机框架材料在电催化中的成就，挑战和机遇

To fulfill the demands of green and sustainable energy, the production of novel catalysts for different energy conversion processes is critical. Owing to the intriguing advantages of the intrinsic active species, tunable crystal structure, remarkable chemical and physical properties, and good stability, metal-organic frameworks (MOFs) have been extensively investigated in various electrochemical energy conversions, such as the CO₂ reduction reaction, N₂ reduction reaction, oxygen evolution reaction, hydrogen evolution reaction, and oxygen reduction reaction. More importantly, it is feasible to change the chemical environments, pore sizes, and porosity of MOFs, which will theoretically facilitate the diffusion of reactants across the open porous networks, thereby improving the electrocatalytic performance. However, owing to the high energy barriers of charge transfer and limited free charge carriers, most MOFs show poor electrical conductivity, thus limiting their diverse applications. As reported previously, MOFs were used as a porous substrate to confine the growth of nanoparticles or co-doped electrocatalysts after annealing. The conductive MOFs can combine the advantages of conventional MOFs with electronic conductivity, which significantly enhance the electrocatalytic performance. In addition, conductive MOFs can achieve conductivity via electronic or ionic routes without post-annealing treatment, thereby extending their potential applications. Different synthesis strategies have recently been developed to endow MOFs with electrical conductivity, such as post-synthesis modification, guest molecule introduction, and composite formatting. The performance of conductive MOFs can even outperform those of commercial RuO₂ catalysts or Pt-group catalysts. However, it is difficult to endow most MOFs with high conductivity. This review summarizes the mechanisms of constructing conductive MOFs, such as redox hopping, through-bond pathways, through-space pathways, extended conjugation, and guest-promoted transport. Synthetic methods, including hydro/solvothermal synthesis and interface-assisted synthesis, are introduced. Recent advances in the use of conductive MOFs as heterogeneous catalysts in electrocatalysis have been comprehensively elucidated. It has been reported that conductive MOFs can demonstrate considerable catalytic activity, selectivity, and stability in different electrochemical reactions, revealing the immense potential for future displacement of Pt-group catalysts. Finally, the challenges and opportunities of conductive MOFs in electrocatalysis are discussed. Based on systematic synthesis strategies, more conductive MOFs can be constructed for electrocatalytic reactions. In addition, the morphology and structure of conductive MOFs, which can change the electrochemical accessibility between substrates and MOFs, are also crucial for catalysis, and thus, they should be extensively studied in the future. It is believed that a breakthrough for high-performance conductive MOF-based electrocatalysts could be achieved.     

表界面调控电催化析氧反应

开发高效绿色清洁能源已引起研究者们的广泛关注。电解水是一种大规模且可持续生产高纯氢能源技术。然而,阳极析氧反应电催化剂的高过电位和不稳定性制约了电解水技术的大规模应用,合理设计电催化剂的结构可显著优化其反应热力学和动力学,提高电解水技术的能量转换效率。表界面是电催化反应发生的主要场所,通过调控电催化剂表面的本征结构或构筑异质界面等系列表界面化学工程对电催化剂进行改性,可以有效改善材料的催化活性和稳定性。本文概述了当前表界面调控策略在电催化析氧反应中的研究进展,重点介绍了表界面调控层状双金属氢氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型化合物及合金材料的研究现状,阐述了高效稳定析氧反应电催化剂的设计思路。讨论了表界面调控策对催化剂表界面微结构和电子态的影响以及设计新型析氧反应电催化剂中面临的问题。最后,展望了表界面调控应用于析氧反应电催化剂的前景。     

高价金属钽掺杂无定型氧化铱用于酸性氧析出反应（英文）

氢能作为一种潜在的能源载体,有望取代化石燃料,解决当今社会的能源需求和环境问题.质子交换膜电解水(PEMWE)技术因其工作电流密度大、氢气纯度高和系统响应迅速等优点,能够有效地弥补可再生能源波动性等缺点,被认为是一种利用可再生能源制氢的可持续手段.但其阳极氧析出反应(OER)为四电子/质子转移过程,反应动力学缓慢,同时强氧化性和强酸性环境会对阳极催化剂的产生腐蚀,导致稳定性差,因此亟需开发高效且稳定的催化剂.研究发现,无定型氧化铱材料中的特殊缺陷结构可显著提升其催化酸性OER的活性,但该结构也会加速反应过程中铱的溶解,导致催化剂稳定性降低,严重限制了其实际应用.本文采用高价金属掺杂的策略,利用高价金属元素与氧的强成键作用,对无定型氧化铱的整体结构及活性位点起到优化且稳定的作用.首先,采用改性的亚当斯熔融法制备了金属钽掺杂的无定型氧化铱:350-Ta@IrO_x,400-Ta@IrOx,450-Ta@IrO_x(350,400和450代表样品分别在350,400和450℃烧结),并用于催化酸性OER;作为对比,制备了无掺杂的无定型氧化铱:350-I...     

金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望（英文）

金属有机骨架材料(MOF)又称多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属团簇和有机配体通过配位作用形成的新型晶态多孔材料.近30年, MOF材料在催化领域受到了广泛的关注和研究.MOF的多孔结构和高比表面积可以实现催化位点的空间分离并促进物质传输,从而提高催化活性.MOF可以像均相催化剂一样在原子精度进行灵活剪裁和调控,同时具有非均相催化剂易分离回收的优势.通过结合均相和非均相催化剂的优点, MOF表现出了诸多优于传统催化材料的独特性质.本文首先简要介绍了MOF基催化材料设计的基本原理和MOF应用于催化的独特性,其次对MOF在催化中面临的瓶颈和局限进行了论述,最后指出了MOF在未来催化领域中潜在的独特应用前景.MOF材料中金属节点、有机配体和孔空间都可以进行灵活功能化,从而赋予催化活性.金属节点上的不饱和配位点可作为路易斯酸催化中心.配体可以通过修饰不同功能基团从而赋予催化活性.此外,金属节点和有机配体还可以通过接枝外来催化位点进行功能化.更重要的是, MOF孔空间可以限域客体活性单元,极大扩展了活性位的来源.MOF还可以作为前驱体通过化学转化获得多孔碳、金属化合物及其复合材料.MOF的高...     

室温快速合成一种钴基金属有机框架材料纳米颗粒用于高效氧析出

采用一种在室温下快速、温和的方法制备Co-MOF-74纳米颗粒,该纳米颗粒结晶度好、形貌均匀,可在碱性介质中实现高效电催化析氧反应（OER）。相较于传统的水热合成法,通过引入三乙胺大大降低了合成所需时间,只需室温下搅拌2 h即可得到Co-MOF-74纳米颗粒（约20 nm）。该纳米催化剂呈现出更高的比表面积（760 m²·g^-1）、良好的OER活性和稳定性,在10 mA·cm^-2的电流密度下过电势仅为275 mV。     

高效析氧反应催化剂Fe-MIL-101的制备及性能研究

近年来,金属有机骨架(MOFs)逐渐用于析氧反应(OER)领域.在以往研究中,MOFs通常作为前驱体在高温下热解制备金属氧化物/多孔碳复合材料以提高OER性能.虽然金属氧化物/多孔碳复合材料显示出较高的催化活性,但是它们需要复杂的制备工艺和高温条件.因此,寻找一种不经过热解处理可以直接用作OER的高效能MOFs催化剂是...     

表面重构的富氧空位非晶-结晶Ni(Co)异质结促进析氧反应（英文）

设计具有丰富活性位点的低成本且稳定的电催化剂对于提高析氧反应效率仍然具有挑战性.本文采用电化学沉积的方法,在铜箔上制备了非晶-结晶共存的三元Ni-Co-Mo金属氧化物薄膜催化剂.实验结果表明,Ni-Co-Mo催化剂具有非晶-结晶异质结构,经过表面重构后,发生了显著的Mo离子析出,从而导致稳定后的催化剂中富含大量的氧空位.具有丰富氧空位的非晶-结晶异质结催化剂,能够暴露更多的催化活性位点并降低电子转移阻抗,显著提升催化剂析氧反应性能.在1 mmolKOH中的电化学测试表明,重构后的催化剂驱动20 mA/cm²电流密度的过电位仅为308 mV,塔菲尔斜率为90 mV/dec.同时,该催化剂可以在20 mA/cm²的电流密度下连续工作超过24小时,显示出良好的稳定性.