NaOH溶液中碱浓度、氧气压力以及温度对Pt电极上氧气还原反应的影响

设计制作一种新型耐压电化学池并采用循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)技术系统研究了碱浓度、氧气压力以及温度对NaOH溶液中氧气还原反应(ORR)的影响.研究结果表明,碱浓度、氧气压力和温度对ORR动力学和热力学都有很大的影响.随着碱浓度增大,ORR过程逐渐由2电子(生成HO2-)转为1电子(生成O2-)反应,并且由于氧气溶解度减小和体系粘度增大ORR过程受到很大抑制.增大压力可以明显增加氧气溶解度,从而从动力学上促进ORR过程;同时计算得到了氧气在不同浓度NaOH溶液中的亨利系数.随着介质温度升高,由于氧气反应活性增强、扩散系数增大和溶解度减小的共同作用,表现出在给定浓度下存在一最佳温度使得ORR峰电流达到最大.     

NaOH溶液中碱浓度、氧气压力以及温度对Pt电极上氧气还原反应的影响

设计制作一种新型耐压电化学池并采用循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)技术系统研究了碱浓度、氧气压力以及温度对NaOH溶液中氧气还原反应(ORR)的影响. 研究结果表明,碱浓度、氧气压力和温度对ORR动力学和热力学都有很大的影响. 随着碱浓度增大,ORR过程逐渐由2 电子(生成HO₂^-)转为1 电子(生成O₂^-)反应,并且由于氧气溶解度减小和体系粘度增大ORR过程受到很大抑制. 增大压力可以明显增加氧气溶解度,从而从动力学上促进ORR过程;同时计算得到了氧气在不同浓度NaOH溶液中的亨利系数. 随着介质温度升高,由于氧气反应活性增强、扩散系数增大和溶解度减小的共同作用,表现出在给定浓度下存在一最佳温度使得ORR峰电流达到最大.     

溶剂热法制备磷掺杂碳纳米管作为氧气还原和氧气析出反应双功能电催化剂的研究

对氧气还原(ORR)和氧气析出(OER)反应都具有催化活性的双功能催化剂在金属-空气电池中起着关键作用.本文通过溶剂热反应,一步原位合成了磷掺杂碳纳米管(P-CNT).旋转环盘电极测试表明磷掺杂能够明显提高碳纳米管的催化活性,P-CNT在碱性电解质中对ORR和OER都具有优异的催化活性.P-CNT对ORR的催化还原为近4电子反应,可与商业催化剂Pt/C(20 wt%)相比;而其对OER的催化活性则高于Pt/C(20 wt%).此外,P-CNT的长期稳定性优于Pt/C(20 wt%).P-CNT对ORR和OER的高催化活性和稳定性主要归因于磷对碳的掺杂以及磷与碳间强的化学键合.     

抗坏血酸氧化反应研究现状述评

本文讨论了近年来H_2A(抗坏血酸)氧化反应的研究.在有O_2参与时,H_2A与金属络合物形成三元络合物后被氧化,过程中存在A??和H_2O_2中间体.在无O_2时,氧化反应按外球电子转移机制进行.文中从电子转移理论,Taube的价键理论和Marcus理论给予讨论.并介绍了H_2A参与下的化学振荡反应的最新动态.     

钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

发展氧气还原反应(ORR)的二电子高效电催化剂一直是燃料电池领域的研究热点,但针对具有二电子还原特征且可应用于水处理领域电极材料的研究还处在起步阶段。本综述介绍了近年来二电子还原特征的贵金属电极材料及其在电催化处理水中污染物的研究进展。在Fe~(2+)存在下,Pd基电极材料催化氧气还原合成H_2O_2,间接催化氧化水中有机污染物,实现有机物的矿化降解和水质的净化;Pd基电极催化还原水中有机污染物、无机盐等,将其转化为低毒性、易处理产物并彻底去除;Pd基催化电极的高效电子传导性能增强了水中重金属离子的氧化/还原转化,实现重金属去除。本综述展望了纳米电极材料在水处理应用的机遇与发展方向。     

MOF(Fe)的制备及其氧气还原催化性能

以硝酸铁为金属离子前驱体、均苯三甲酸为有机配体,采用水热法合成了金属有机骨架MOF(Fe)催化剂,应用X射线衍射、N2吸附-脱附、透射电镜、红外光谱和热重等方法对催化剂的结构进行了表征,并采用循环伏安法测试了催化剂在碱性电解质中的氧气还原(ORR)催化性能,同时也采用旋转圆盘电极进一步研究了催化剂的ORR的动力学行为.结果表明,所制MOF(Fe)具有很好的晶型结构、大比表面积、丰富的微孔以及较高的热稳定性.且表现出很好的ORR催化活性.ORR的反应历程随电位的改变而改变:电位在–0.3到0.50 V范围内,ORR为2电子途径;随着电位从–0.50 V升至–0.95 V,ORR从2电子向4电子途径转变.另外,该催化剂在碱性电解质中也表现出较好的氧气析出(OER)催化性能,这为制备用于ORR和OER的高效非贵金属催化剂提供了新的途径.     

氮掺杂纳米碳块的制备及氧还原的高电化学催化活性

面对全球化的能源危机,燃料电池由于其高效性和可重复使用性成为越来越具有潜力的能量转化设备.阴极发生的氧气还原反应对于燃料电池的性能十分重要,寻找高效的氧还原催化剂在很大程度上可以提高燃料电池的性能.传统的氧还原催化剂是贵金属铂,但是铂的价格十分高,较差的稳定性和选择性限制了它的商业化应用,因此找到一种廉价高效的非贵金属氧还原催化剂来代替铂基催化剂成为目前的研究热点.我们最近发现将纯的三羟甲基氨基甲烷置于管式炉中在800°C下真空烧制2 h,可以简单快捷地得到一种含 N量为4.11%的纳米碳块(标记为 NCNBs-800),该材料可用于催化电化学氧气还原反应.同样情况下在700和900°C下合成的材料标记为 NCNBs-700和 NCNBs-900.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学旋转圆盘方法与技术对催化剂的成分、形貌和电催化性能进行了表征. SEM表明 NCNBs-800为直径为60 nm的碳块,用 FTIR手段表征了 NCNBs-800的结构变化,三羟甲基氨基甲烷中的–OH和–NH2在高温下发生消去反应,形成了饱和度不同的 C–N键和 C–C键.这些饱和度不同的 N原子和 C原子增加了材料的缺陷结构和活性位点,进一步促进了氧还原反应的催化性能.采用 XPS分析了 NCNBs-800表面的元素,通过对 N 1s进行分峰拟合,发现 NCNBs-800含有能促进氧还原性能的吡啶-N和吡咯-N,特别是吡啶-N,它吸电子的能力很强,从而导致与它邻近的 C原子表面具有一定的正电荷,这些正电荷促进了氧气的吸附和还原,为氧气还原反应提供活性位点,促进氧气还原反应的发生. XRD结果表明,三羟甲基氨基甲烷热解前后的 XRD谱图有明显变化,热解后的三羟甲基氨基甲烷呈现两个宽峰,代表着杂化碳的存在. NCNBs-800的衍射峰强度比 NCNBs-700以及 NCNBs-900大,但是宽度则比 NCNBs-700以及 NCNBs-900小,这表明800°C有利于材料的石墨烯化及碳化过程.电化学阻抗可以表明修饰电极的表面性质,阻抗图中高频处半圆的直径大小代表电子转移阻力,低频处的线性部分代表扩散过程.阻抗数据表明, NCNBs-800的电荷转移电阻可与 Pt/C催化剂相比,但是比裸露的玻碳电极小.这表明 NCNBs-800有较好的导电性和电化学性质. CV曲线表明 NCNBs-800氧还原的起始电位是-0.05 V (vs Ag/AgCl),氧气的还原电位是0.20 V (vs Ag/AgCl),说明 NCNBs-800具有良好的电化学催化性能.旋转环盘电极仪测得的氧还原极化曲线表明,在-0.3 to-0.8 V下的 NCNBs-800氧还原的电子转移数为3.4,过氧化氢产率为52%-35%,表明 NCNBs-800呈现一个提高的四电子过程.稳定性对于燃料电池氧气还原反应也是一个十分重要的性能,通过计时电流技术在电压为-0.2 V下对 NCNBs-800与 Pt/C进行了稳定性测试.结果表明,在2500 s之后 NCNBs-800相对于它的最初催化活性损失为17.56%,而 Pt/C损失了30.71%,从而说明 NCNBs-800的稳定性优于 Pt/C.总之,我们通过一步热解的简易技术制备了一种氮掺杂纳米碳材料,该碳材料具有廉价、高效和容易制备等特点,具有良好的电化学催化性能,有望在燃料电池氧化还原反应中得到大规模应用.     

非水溶剂锂-空气电池中的氧气电极反应

基于锂-氧气反应的锂-空气电池在所有的锂电池体系中具有最大的理论容量和能量密度,认识锂-空气电池中的氧气电极反应对锂-空气电池的研发具有指导意义.本文以金电极/乙腈电解液为模型体系,介绍了锂-空气电池在放电和充电过程中的氧气电极反应机理.电池放电时,氧气还原成超氧自由基,超氧自由基与锂离子结合生成不稳定的超氧化锂;通过歧化反应,超氧化锂生成放电反应最终产物过氧化锂.电池充电时,过氧化锂通过一步两电子直接氧化生成氧气,不经过超氧化锂中间态.在阐述氧气电极反应机理的同时,还对研究氧气反应的各种电化学方法作了介绍.     

新型氧气传感材料—β—Bi2O3型固溶体

氧气传感器被普遍应用于废气控制、钢铁生产、气体检漏等工业过程中。寻找成本低、灵敏度高的氧气传感材料是一项有意义的工作。本文报告某些铋铌氧化物固溶体材料的热电势对氧压的关系,探讨这种原理的应用前景及需要解决的问题。 均相材料Bi_(60)NbO_(92.5)和Bi_(31)NbO_(49)由Bi_2O_3和Nb_2O_5固固反应获得。制备方法参见文献[1]。将粉末产品压成直径13mm,厚度3mm的圆片,在1100K烧结24小时,骤冷到室     

碳载氧化锰表面氧还原反应路径研究(英文)

氧还原反应(ORR)是一个复杂的过程,尤其在碱性电解液中,炭载型催化剂表面的ORR路径尤为复杂,因为碳本身可以催化ORR以二电子转移过程发生,产生过氧化氢,继而过氧化氢或者发生化学分解生成氧气(HODR),或者发生电化学还原生成OH(HORR).本文详细研究了ORR在常用氧化锰催化剂表面的反应路径.通过比较HODR和HORR的转换频率发现,尽管利用旋转环盘电极方法得到的表观电子转移数接近4,真实的ORR主要是2电子过程,反应生成的过氧化氢继而大部分发生化学分解生成氧气.该结果有助于理解碱性电解质中炭载型过渡金属氧化物电催化剂对ORR的催化行为.     

Recent advances of layered double hydroxides–based bifunctional electrocatalysts for ORR and OER

The oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) have attracted increasing attention for the sake of clean, renewable, and efficient energy technologies in recent years. The design of ORR/OER bifunctional electrocatalysts is a challenging task in the promotion of highly efficient rechargeable metal-air batteries as well as regenerative fuel cells. Owing to the wide adaptability of different types and ratios of metals in the interlayer space as well as the adjustable interlayer distance, composite materials with layered double hydroxides (LDHs) and their derivatives have recently been registered as electrode materials and catalysts supports for various electrochemical reactions. This study examines the recent development of bifunctional electrocatalysts based on LDHs for ORR/OER to expand the application of LDHs in the field of energy storage and conversion. Various bifunctional electrocatalysts associated with LDHs are discussed in detail to improve their performance. Finally, existing problems and future prospects for improving the performance of LDHs bifunctional electrocatalysts are proposed.     

Recent advances in energy chemistry of precious-metal-free catalysts for oxygen electrocatalysis

The rational design and effective construction of precious-metal-free materials for OER and ORR, respectively, are reviewed in the respects of electronic structure regulation, nanostructure tailor, and freestanding electrode fabrication. This affords fresh concepts for oxygen electrocatalysis and is also enlightening for other energy catalysis with targeted optimization.     

Current progress of molybdenum carbide-based materials for electrocatalysis: potential electrocatalysts with diverse applications

Electrocatalysts are the cores of many electrochemical reactions including hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), oxygen reduction reaction (ORR), nitrogen reduction reaction (NRR), and CO₂ reduction reaction (CO₂RR). Recent advances in research have demonstrated the potentials of molybdenum carbide-based catalysts for these reactions arising out of their unique electronic structure and physicochemical properties. In this review, we systematically summarize the recent advances of molybdenum carbide-based catalysts in these electrochemical processes. The corresponding synthesis strategies, structure and electrocatalytic performance of the catalysts are discussed and the relationships of the process-structure-property are highlighted. In addition, the catalytic mechanisms are analyzed based on the structure characterization and theoretical calculations results. Finally, the existing challenges and future perspectives are put forward for further development of molybdenum carbide-based catalysts.     

Substituent position effect of Co porphyrin on oxygen electrocatalysis

Substituent effect of metal porphyrin molecular catalysts plays a crucial role in determining the catalytic activity of oxygen electrocatalysis. Herein, substituent position effect of Co porphyrins on oxygen electrocatalysis, including the oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER), was investigated. Two Co porphyrins, namely 2,4,6-OMe-CoP and 3,4,5-OMe-CoP, were selected as the research objects. The ORR and OER performance was evaluated by drop-coating molecular catalysts on carbon nanotubes (CNTs). The resulted 3,4,5-OMe-CoP/CNT exhibited high bifunctional electrocatalytic activities and better long-term stability for both ORR and OER than 2,4,6-OMe-CoP/CNT. Furthermore, when applied in the Zn-air battery, 3,4,5-OMe-CoP/CNT exhibited comparable performance to that with precious metal-based materials. The enhanced catalytic activity may be attributed to the improved charge transfer rate, mass transfer and hydrophilicity. This work provides an effective strategy to further enhance catalytic activity by introducing substituent position effect, which is of great importance for developing more efficient energy-related electrocatalysts.     

金属-空气电池中双功能电催化剂微纳结构设计（英文）

金属-空气二次电池在可再生电能的存储和转换方面具有广阔的应用前景.在金属-空气二次电池的空气侧,放电时发生氧还原反应(ORR),充电时发生氧析出反应(OER).然而, ORR和OER反应的动力学过程缓慢,因此限制了金属-空气二次电池的实际应用.因此,发展高性能ORR和OER电催化剂对金属-空气二次电池的发展尤为重要.目前,大多数的研究集中在ORR或OER的单功能电催化剂上,而关于双功能电催化剂的研究和综述相对较少.两个反应均具有较高的过电位和较缓慢的动力学过程,而且充电过程的高电压会导致ORR催化剂失活,反之亦然.因此,开发针对这两个反应均具有高活性和高稳定性的双功能电催化剂极具挑战性.近年来,研究者对具有低成本和高性能双功能电催化剂进行了探索.这些双功能电催化剂包括碳基材料,过渡金属材料和复合材料.双功能电催化剂可以通过提高本征活性和表观活性两种策略来提高其整体的活性.其中,本征活性与晶体结构和电子结构密切相关,即可以通过调节晶体结构和电子结构来提高其本征活性.例如,可以改变金属-氧键的强度、氧空位浓度等来调变电催化活性.在碳基材料中掺杂杂原子可以改变碳的电荷密度分布,从而实现对电催...     

氧还原和析氧反应的双功能电催化剂--氮磷共掺碳负载四氧化三钴

金属-空气电池具备诸多优势,譬如绿色环保、能量转化率高、启动快速、能量密度高、使用寿命和干态存储时间长等.与燃料电池相比,金属-空气电池结构简单,放电电压平稳,成本低,但依然存在一些制约发展的问题,如阴极催化剂.阴极催化剂在金属-空气电池中发挥催化氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)和析氧反应(oxygen evolution reac-tion, OER)的关键作用.铂及其合金常用作 ORR的单功能催化剂,而钌和铱等是目前 OER催化效率最高的,但 ORR活性很低,因此需要开发出一种廉价而又具备双功能催化作用的催化剂.单异原子掺杂的碳基催化剂的研究集中在 ORR催化性能上,而多异原子共掺碳最近有研究表明具有双催化氧的性质,如氮磷共掺碳.在这些氮磷共掺的碳架中,氮磷共掺物起着 OER催化作用,掺氮物为 ORR催化的活性位点,而掺磷物起着强化作用.异原子掺杂负载的钴基催化剂(如掺氮还原氧化石墨烯载 Co3O4)是近年来双功能催化剂研究的另一个热点.钴基催化剂有着催化 ORR和 OER的多价价态,然而其本身导电性能差,这一缺陷可通过杂化石墨化碳来弥补,石墨化碳有着优良的导电性能.据我们所知,目前仍没有关于氮磷共掺碳负载的 Co3O4双催化氧的研究.我们合成了氮磷共掺碳(NPC)负载的 Co3O4(Co3O4/NPC),并首次探索了其氧还原和析氧性能. Co3O4/NPC合成分两步进行.首先通过三聚氰胺与植酸之间的酯化或缩聚覆盖在导电炭黑颗粒表面,在保护气氛下焙烧得到 NPC,然后经溶剂热反应以及空气中氧化合成 Co3O4/NPC.催化剂的性能综合考虑了催化活性和稳定性两方面.采用线性扫描伏安法评估了 OER和 ORR的催化活性.对于 OER, Co3O4/NPC的起始电势是0.54 V (以饱和甘汞电极为参比电极),在0.80 V时电流密度达到21.95 mA/cm2,均优于 Co3O4/C和 NPC. Co3O4/NPC的高效 OER催化可归因于氮磷共掺物与 Co3O4之间的协同作用.对于 ORR, Co3O4/NPC的催化效率与商用 Pt/C相近,它们的扩散极限电流密度分别为–4.49和–4.76 mA/cm2(E =–0.80 V).在 ORR过程中, Co3O4起到主要的催化作用.采用计时电流(电流-时间)法评估了催化剂的稳定性.经6 h测定,对于 OER, Co3O4/NPC剩46%电流;而对于 ORR,剩95%电流.整体而言, Co3O4/NPC在 OER和 ORR中都表现出高的催化效率以及良好的稳定性.     

Stable Thiophene-sulfur Covalent Organic Frameworks for Oxygen Reduction Reaction(ORR)

Exploring novel materials deriving from earth resources to substitute for platinum(Pt) electrocatalyst to promote oxygen reduction reaction(ORR) of fuel cell cathode is very important. Herein, we have exploited two crystallographic thiophene-sulfur covalent organic frameworks(COFs), termed JUC-607 and JUC-608, as electrocatalysts that exhibited good ORR performances. These thiophene-sulfur COFs exhibited high stability, and their functional groups acting as active centers in the ORR can be precisely determined. Notably, due to a larger aperture for mass transfer and electrons transport, JUC-608 displayed a growing electrochemical performance, leading to a better ORR activity. Thus, this study will provide a new strategy for designing heteroatom-based COF materials for high-performance electrochemical catalysis.     

The sum is more than its parts: stability of MnFe oxide nanoparticles supported on oxygen-functionalized multi-walled carbon nanotubes at alternating oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction conditions

Successful design of reversible oxygen electrocatalysts does not only require to consider their activity towards the oxygen reduction (ORR) and the oxygen evolution reactions (OER), but also their electrochemical stability at alternating ORR and OER operating conditions, which is important for potential applications in reversible electrolyzers/fuel cells or metal/air batteries. We show that the combination of catalyst materials containing stable ORR active sites with those containing stable OER active sites may result in a stable ORR/OER catalyst if each of the active components can satisfy the current demand of their respective reaction. We compare the ORR/OER performances of oxides of Mn (stable ORR active sites), Fe (stable OER active sites), and bimetallic Mn_0.5Fe_0.5 (reversible ORR/OER catalyst) supported on oxidized multi-walled carbon nanotubes. Despite the instability of Mn and Fe oxide for the OER and the ORR, respectively, Mn_0.5Fe_0.5 exhibits high stability for both reactions.

     

MOF(Fe)的制备及其氧气还原催化性能

以硝酸铁为金属离子前驱体、均苯三甲酸为有机配体,采用水热法合成了金属有机骨架MOF（Fe）催化剂,应用X射线衍射、N₂吸附-脱附、透射电镜、红外光谱和热重等方法对催化剂的结构进行了表征,并采用循环伏安法测试了催化剂在碱性电解质中的氧气还原（ORR）催化性能,同时也采用旋转圆盘电极进一步研究了催化剂的ORR的动力学行为.?结果表明,所制MOF（Fe）具有很好的晶型结构、大比表面积、丰富的微孔以及较高的热稳定性. 且表现出很好的ORR催化活性. ORR的反应历程随电位的改变而改变：电位在-0.3到0.50 V范围内,ORR为2电子途径;随着电位从-0.50 V升至-0.95 V,ORR从2电子向4电子途径转变. 另外,该催化剂在碱性电解质中也表现出较好的氧气析出（OER）催化性能,这为制备用于ORR和OER的高效非贵金属催化剂提供了新的途径.     

Reaction mechanisms of the oxygen reduction and evolution reactions in aprotic solvents for Li–O2 batteries

The oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) in aprotic solvents are elementary reactions for the discharging and charging processes on the cathode of the lithium-oxygen batteries, respectively. Understanding the mechanisms of these reactions at a molecular level has now become a bottleneck that hinders the development of the battery. This short article briefly reviews recent progresses in the studies of the ORR/OER mechanism in aprotic solvents. Two reaction mechanisms, the electrochemical pathway and chemical (disproportionation) pathway, will be discussed with their contribution to the ORR process on the cathode surface. Furthermore, the origin of the OER overpotential will also be discussed. The solutions to reduce the OER overpotential are noted with development of redox mediators.