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.     

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.     

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.     

碱性介质中Fe/N/C催化剂的氧气还原反应催化性能研究

以氧化石墨烯(GO)为碳载体, K₃Fe(CN)₆同时作为N源和Fe源, 经热处理后构建了新型Fe/N/C结构的氧气还原催化剂. 在热处理过程中, 氧化石墨烯上的官能团分解脱离形成活性中心, Fe元素和N元素的同时掺杂是通过氧化石墨烯与K₃Fe(CN)₆之间的相互作用而实现的. 通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)表征证明了这种非贵金属催化剂中N元素和Fe元素的成功掺杂, 在催化剂中N元素主要是以吡啶式氮、吡咯式氮和石墨式氮的形式存在, Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)则与其中的吡啶式氮配位形成Fe-N_x结构. 采用循环伏安法(CV)和旋转圆盘电极(RDE)技术, 研究其在碱性介质中对氧气还原反应(ORR)的电催化性能. 实验结果显示: Fe/N/C催化剂具有良好的ORR电催化活性, 在碱性溶液中的起始电位为-0.15 V, 同时有着良好的稳定性和抗甲醇性能.     

Ni-Co@C-N催化剂的制备及其催化硝基芳烃还原偶联反应

以ZIF-67为前驱体,通过高温热解和乙二醇还原的方法制备了低成本的负载镍纳米粒子催化剂Ni-Co@C-N。研究了催化剂对硝基芳烃化合物合成相应氧化偶氮苯类化合物的催化性能,并讨论了碱及分散剂种类对催化剂结构与性能的影响。结果表明,碱性增强可以加快纳米粒子的成核速率,分散剂分子量增加则会限制纳米粒子的粒径增长。其中,由弱碱与低分子量分散剂制备的Ni-Co@C-N-4对硝基芳烃还原具有良好的催化活性,原料的转化率和产率在反应30 min后分别达到92.8%和89.3%,且循环实验表明Ni-Co@C-N-4具有良好的稳定性。     

Ni-Co@C-N催化剂的制备及其催化硝基芳烃还原偶联反应

以ZIF-67为前驱体,通过高温热解和乙二醇还原的方法制备了低成本的负载镍纳米粒子催化剂Ni-Co@C-N。研究了催化剂对硝基芳烃化合物合成相应氧化偶氮苯类化合物的催化性能,并讨论了碱及分散剂种类对催化剂结构与性能的影响。结果表明,碱性增强可以加快纳米粒子的成核速率,分散剂分子量增加则会限制纳米粒子的粒径增长。其中,由弱碱与低分子量分散剂制备的Ni-Co@C-N-4 对硝基芳烃还原具有良好的催化活性,原料的转化率和产率在反应30 min 后分别达到92.8%和89.3%,且循环实验表明Ni-Co@C-N-4具有良好的稳定性。     

过渡金属基MOF材料在选择性催化还原氮氧化物中的应用

选择性催化还原(SCR)技术是目前应用最广泛的工业脱硝技术,研发具有优良活性和抗毒化性能的催化剂体系是研究学者关注的重点。过渡金属氧化物和金属有机骨架(MOF)材料因其优良的氧化还原性能在脱硝领域受到了广泛关注和研究,且研究学者发现将过渡金属氧化物与MOF材料结合能够进一步提高催化剂的脱硝活性。本文综述了近年来主要应用于NH₃-SCR反应的系列单过渡金属基MOF脱硝催化剂和复合过渡金属基MOF脱硝催化剂的研究进展,阐述了过渡金属基MOF脱硝催化剂抗水抗硫中毒性能和热稳定性的强化方法,并展望了未来过渡金属基MOF脱硝催化剂的主要研究方向：综合利用不同过渡金属氧化物的特点并结合金属氧化物间的强相互作用,制备得到具有优良脱硝活性、抗水抗硫性能和热稳定性的新型过渡金属基MOF脱硝催化剂,进一步通过实验和仿真模拟相结合制备高效过渡金属基MOF脱硝催化剂以满足工业化需求。     

Co-Co9S8/N掺杂科琴黑复合材料的制备及其氧还原反应催化性能

采用普鲁士蓝类似物作为前驱体,结合高温煅烧,制备了高导电碳(氮掺杂科琴黑)支撑、单金属引入的Co-Co_9S_8/N-KB氧还原反应(ORR)催化剂。研究了煅烧温度对ORR催化性能的影响。结果发现,在800℃下进行煅烧,所得催化剂的ORR催化活性最大,其起始电位和半波电位分别为0.93和0.83 V,与商业级Pt/C相当,并且极限电流密度高达5.7 mA·cm~(-2)。该催化剂的稳定性也十分优异,经过10 000 s长时间持续催化后电流密度还能保持初始值的95.6%;在0.5～1.0 V之间进行5 000次循环的加速老化实验之后,其半波电位仅偏移了8.6 mV。此外,在铝-空气全电池应用中,在50 mA·cm~(-2)的放电电流密度下,Co-Co_9S_8/N-KB催化剂的放电电压可达1.53 V,高于商业级Pt/C。     

双金属导电金属有机框架材料Ni/Co-CAT的制备及其氧还原催化性能研究

以2,3,6,7,10,11 -六羟基三亚苯(2,3,6,7,10,11-Hexahydroxytriphenylene, HHTP)为有机配体, Ni、Co为金属中心, 通过水热法制备了对应的儿茶酚酯盐(Ni-catecholate、Ni-Co-catecholate, 以下简称Ni-CAT和Ni-Co-CAT). 对其进行表征后, 选用单室反应器装置搭建微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC). 将Ni-CAT和Ni-Co-CAT与炭黑以3∶1的质量比混合后应用于MFC阴极催化氧还原反应(Oxygen reduction reaction, ORR). 结果表明, Ni-Co-CAT催化的MFC反应器性能最好, 其MFC反应器的最大输出电压和功率密度分别为310 mV和190 mW/cm², 与商业Pt/C的性能相当. Ni-Co-CAT催化MFC的极限电流密度为2.84 mA/cm², 优于Ni-CAT的2.18 mA/cm², 表明在Ni-CAT结构中引入Co后, MFC产电效能得到了提升. 主要原因是, Ni-Co-CAT与炭黑充分混合后, 具有了更高的孔隙率和比表面积, 其结构上的金属位点M-O₆ (M=Ni或Co)提供了更多的催化活性, 使Ni-Co-CAT具有最优的电化学催化性能.     

Cu-bipy-BTC衍生碳基材料的制备及其氧还原电催化性能

制备高效、廉价的氧还原(ORR)电催化剂是燃料电池的技术关键. 本文采用水热法制备出前驱体金属有机骨架化合物（MOF：Cu-bipy-BTC,bipy=2,2′-联吡啶,BTC=均苯三甲酸）后,再高温煅烧得到碳基材料MOF-800. 采用扫描电镜、X射线衍射、红外光谱、氮气吸附/脱附等温线和X射线光电子谱表征了材料的形貌和结构特征;采用线性扫描伏安曲线、i-t曲线等考察了材料的氧还原催化性能. 结果表明,与前驱体Cu-bipy-BTC相比,MOF-800含有大量的微孔(0.5 ~ 1.3 nm),为铜、氮掺杂多孔碳. MOF-800的电荷转移阻抗为10.6 Ω,比Cu-bipy-BTC降低了97.2%,具有优良的导电性. MOF-800具有优异的ORR催化性能,其起始电位约为-0.04 V(vs. Ag/AgCl),其电子转移数接近4. 铜、氮掺杂的多孔碳结构导电性好,高含量的吡啶氮、吡咯氮和石墨氮提供了大量催化活性位点(C-N, Cu-N_x),是MOF-800具有高氧还原电催化性能的主要原因. 本研究可为煅烧Cu-bipy-BTC制备碳基材料用于燃料电池修饰阴极提供技术支撑与理论依据.     

双金属MOF-74-CoMn催化剂的制备及其CO选择性催化还原技术应用

采用水热法成功地合成了不同比例的双金属MOF-74-CoMn催化剂,并成功用于以CO为还原剂的选择性催化还原脱硝（CO-SCR）反应.实验结果表明,双金属MOF-74-CoMn催化剂的NO_x转化率普遍高于单金属MOF-74-Co催化剂,且反应温度窗口更宽,其中,MOF-74-Co1Mn2的NO_x转化率最高,在175~275 ℃的温度范围内接近100%.进而,通过X射线粉末衍射（XRD）,热重分析（TGA）,扫描电镜（SEM）,N₂吸附/脱附,X-射线光电子光谱（XPS）,氢气程序升温还原性能测试（H₂-TPR）和原位红外光谱（FTIR）技术对双金属MOF-74-CoMn催化剂进行了表征和分析,发现金属Co、Mn的协同作用可以促进不饱和金属位点和氧空位的形成,从而提高CO选择性催化还原反应（CO-SCR）的效率.     

HCDs@MIL-100(Fe)吸附剂的制备及其苯吸附性能研究

苯是一种典型的挥发性有机物, 对环境和人体都有较大的危害. 金属有机骨架(MOFs)在吸附挥发性有机物的方面有良好的应用潜力, 但水的存在会降低MOFs的吸附能力. 本工作采用疏水性碳点(HCDs)与MIL-100(Fe)原位合成制备HCDs@MIL-100(Fe)-Cx复合材料, 提高苯的吸附性能. 结果表明, 疏水性碳点通过担载或嵌入的方式与MIL-100(Fe)复合, 复合后的材料比表面积显著增加且具备了多级孔; 协同吸附作用显著提高了材料对苯的吸附量、苯/水竞争吸附选择性以及疏水性, 在25 ℃下, 相对压力为0.9时, HCDs@MIL-100(Fe)-C1对苯的吸附容量是MIL-100(Fe)的2.9倍; HCDs@MIL-100(Fe)-C1对苯/水的竞争吸附选择性最高可达3.4, 而MIL-100(Fe)最高仅达2.4; 复合材料低浓度苯的捕获能力得到增强, HCDs@MIL-100(Fe)-C1的动态穿透时间是MIL-100(Fe)的1.4倍; 且具有良好的循环稳定性.     

双溶剂法制备CuCl@MIL-101(Cr)配位型吸附剂及其脱硫性能

分别以CuCl2和维生素C为Cu(Ⅱ)源和绿色还原剂,MIL-101(Cr)为多孔载体,采用双溶剂法直接将CuCl2引入MIL-101(Cr)孔道内并全部还原成CuCl,成功实现了在金属有机骨架材料上构筑Cu(Ⅰ)活性位.结果表明,双溶剂法不会影响载体MIL-101(Cr)的结构,引入的铜物种全部被选择性地还原成CuC...     

NiMoO4纳米线@ZnCo MOF(350)核壳结构复合材料的制备及其析氧电催化性能

采用液相合成法成功合成了一种新型的ZnCo金属有机骨架（MOF）纳米晶原位生长于NiMoO₄纳米线（NWs）表面的复合材料NiMoO₄ NWs@ZnCo MOF。经350 ℃低温热处理（所得产物命名为NiMoO₄ NWs@ZnCo MOF（350））后,仍旧较好地保持了前驱体的结构和形貌,但在ZnCo MOF内部出现了极少量的Co₃O₄相,证明发生了轻微热解。化学键C—O—Mo和相异质界面处产生的大量氧空位可以成为活性位点的来源。新的Co₃O₄相的形成也导致异相界面的进一步增加。此外,少量的热解使核壳结构表面更加粗糙、疏松和多孔,产生更高的比表面积、更快的离子扩散路径和更好的导电性。因此经惰性玻碳电极测试,在10 mA·cm^-2电流密度下电催化剂表现出360 mV的低过电位,并保持了30 000 s的长期催化稳定性。     

Au/MOF催化剂的制备、表征及其催化三组分偶联反应

采用后合成共价修饰法和一锅法分别制备了催化剂IRMOF-3-SI-Au(PS)和IRMOF-3-SI-Au(OP),运用X射线衍射、红外光谱、热重-差热分析、透射电镜以及程序升温还原对催化剂进行了表征,探索了这两种催化剂在醛、炔和胺三组分偶联反应中的催化性能,并推测了可能的反应机理.结果表明,两种催化剂对醛、炔和胺三组分偶联反应均具有较高的催化活性,产物炔丙基胺类选择性为100%,且可循环使用;结晶度较低的IRMOF-3-SI-Au(PS)的活性高于结晶度较高的IRMOF-3-SI-Au(OP);催化剂对芳香醛和脂肪醛以及环状胺均具有较高的催化活性,且对带有吸电子基团的芳香醛的活性高于带有供电子基团的.     

一锅法制备Fe2O3@Fe-N-C氧还原电催化剂及其锌-空气电池的性能研究

在金属空气电池和燃料电池阴极上的氧还原反应(ORR)对相关电化学能量转换装置的整体性能有重要影响,金属-氮-碳催化剂有望替代传统的商业Pt-C成为新一代ORR电催化剂。本文通过简便的一步热解工艺合成了具有Fe-N_x活性位点和Fe₂O₃纳米颗粒共存的电催化剂,Fe₂O₃@Fe-N-C-1000催化剂在0.1 mol·L^-1 KOH溶液中表现出良好的ORR活性,半波电位为0.84 V,应用在锌-空气电池中时也具有可以和商业Pt-C媲美的性能,能量密度为88.3 mW·cm^-2,同时和Pt-C相比具有更好电化学稳定性,表现出优良的ORR应用潜力。     

MOF基上创立活性位的方法及其催化应用

近年来金属有机骨架（MOF）以其独特的结构特点（高比表面积、织构性质可调以及暴露的金属离子可以100%利用）引起了催化学者的极大重视,本文评述了与传统催化材料（如分子筛）相比,金属有机骨架作为催化材料的优点与不足,针对多数MOF中处于节点的金属离子被配体配位饱和而不具备催化活性这一弊端,本文基于对这一问题的最新研究进展总结了在MOF上创立催化活性位的4种方法：即前合成法、后合成共价修饰法、浸渍法以及沉淀法,讨论了这4种方法各自的优缺点,并详细介绍了这些方法在催化反应中的探索和应用,指出了MOF在催化领域需要重视的问题和未来的研究方向,以期对MOF在催化领域的研究和开发提供参考。     

基于废旧锂电池回收制备LixMO(x=0.79,0.30,0.08;M=Ni/Co/Mn)材料作为锂-氧气电池正极催化剂的电化学性能研究

锂-氧气电池因其超高的理论比容量而受到科研界的广泛关注, 但其存在较为严重的充放电极化和较差的循环稳定性等问题, 从而极大地限制其商业化进程. 因此设计出有效的正极催化剂是解决锂-氧气电池面临的这些棘手问题的必要手段. 通过对不同充电状态的废旧锂电池正极进行回收制得三种不同锂含量的多元金属氧化物Li_xMO (x=0.79, 0.30, 0.08; M=Ni/Co/Mn), 并分别用作锂-氧气电池正极催化剂. 系统研究了Li_xMO材料中锂含量及晶体结构对其电化学性能的影响. 电化学测试结果表明, 与Li_0.79MO和Li_0.08MO催化剂相比, 基于Li_0.30MO为正极催化剂的锂-氧气电池在电流密度100 mA•g^–1和限定容量800 mAh•g^–1的条件下具有较高的放电比容量(14655.9 mAh•g^–1)、较低的充电电压(3.83 V)和较高的能量转换效率(72.2%). 而且该电池体系在充放电循环140圈后充电终止电压仍低于4.3 V. 最终认为制得的Li_0.30MO材料具有优异的催化性能归因于其稳定的层状-岩盐相复合结构以及结构中富含的氧化镍相和氧空位之间的协同作用. 这些优点能够促进放电产物的可逆形成与分解, 从而提高锂-氧气电池循环性能.     

β-MnO2纳米带的制备及其电催化氧还原活性

在150℃水热条件下,以十六烷基三甲基溴化铵为模板,用HMnO4氧化MnSO4,得到的反应产物通过X射线衍射和扫描电镜测试表明为β-MnO2纳米带.分别用β-MnO2纳米带和电解二氧化锰(EMD)作为氧还原催化剂冷压制成气体扩散电极,在6 mol/L KOH水溶液中进行稳态极化测试.结果表明,β-MnO2纳米带的电极电位比EMD正移30~60mV,当催化膜中β-MnO2纳米带的含量在35%时催化活性最高.在一般锌/空气电池的工作电流密度40 mA/cm2下,通过电池放电测试得到β-MnO2的工作电压达到1.12V.     

金属酞菁类大环化合物对氧气还原反应催化行为的阻抗谱研究

通过电化学交流阻抗法研究了3种金属酞菁类大环化合物(FePc, CoPc, FeCoPc2)在碱性溶液中对氧气还原反应(ORR)的电化学催化行为, 各电极的交流阻抗 Nyquist 图谱在高频区和低频区均呈现出2个较明显的半圆和半圆之间(中频区)的压扁的弧形, 采用Zsimpwin阻抗谱分析软件对-02 V(vs. Hg/HgO)电位下的各交流阻抗谱进行等效电路拟合, 提出空气电极ORR反应的等效电路, 并对等效电路中各动力学参数进行了解释, 通过分析得出金属酞菁在碱性溶液中对ORR催化反应是一个伴随中间产物HO-2的2电子转移过程. 同时, 等效电路的拟合结果表明, FeCoPc2/C作为ORR催化剂对减小Rc+Rct效果比FePc/C和CoPc/C明显, 具有更高的催化活性.