环境条件下电催化氮还原的现状、挑战与展望

氨是一种重要的化肥生产原料和清洁能源载体,在工业上主要通过哈伯法合成,但该工艺反应条件苛刻,需要高温高压并消耗大量的化石能源。因此,开发能耗低、反应温和的合成氨方法,对于缓解能源和环境的双重压力具有重要的现实意义。近年来,在温和条件下通过电催化氮还原反应(NRR)合成氨有望替代哈伯法,但该技术的重点在于设计合理的电催化反应体系并开发高效的催化剂以提升缓慢的NRR动力学过程。为此,本文从电催化合成氨的反应机理出发,介绍了电催化氮还原体系的构建,综述了近年来电催化氮还原催化剂的发展现状,重点总结了提升NRR催化剂活性的设计策略,并对这一新兴领域面临的挑战和潜在的应用前景进行了合理的展望。     

多价MnO_x/C电催化剂用于高效氮还原反应（英文）

氨在人类的生产生活中起着重要的作用,但目前工业上合成氨广泛采用的Haber-Bosch法耗能大,且污染严重。而N_2电还原反应(ENRR)被认为是一种有效的替代方法,由于N_2的键能较高,目前仍然缺乏高活性的催化剂。在这里,通过简单的浸渍法和氧化还原法制备了多价态的MnO_x/C催化剂,该催化剂具有较高的氮还原反应活性(氨产率达到7.8μg_(NH_3)/(h·mg_(cat)),法拉第效率高达9.2%)。进一步研究表明,多价态MnO_x/C催化剂具有高氮还原反应活性的主要原因是不同价态的Mn离子(Mn~(2+)、Mn~(3+)、Mn~(4+))之间存在协同效应。     

Cu3N自支撑电极制备及其电催化氮气还原性能研究

利用可再生能源衍生电力电催化氮气（N₂）还原制氨（NH₃）为实现绿色可持续发展提供了新思路,但该过程需要高效率、高选择性和高稳定性的廉价电催化剂。过渡金属氮化物（TMNs）由于其独特的电子结构和催化机理近年来被广泛研究应用于电催化氮气还原反应（NRR）,但是目前关于氮化铜材料的电催化NRR研究报道较少。本研究采用简单一步氮化法将泡沫铜（CF）高温氮化制备了三维自支撑型氮化铜电极（Cu₃N/CF）,通过各种表征手段对该电极进行了系统的结构分析和形貌表征,并研究了其在中性条件下的电催化NRR性能和稳定性。结果表明,在0.1 mol/L Na2SO4溶液中,Cu₃N/CF电极在-0.2 V的电位下具有最佳的电催化NRR性能,其NH₃速率为1.12×10^-10 mol/（s·cm²）,法拉第效率为1.5%,并且表现出优异的电催化循环稳定性和结构稳定性。     

电化学氮还原氨反应催化剂的最新研究进展（英文）

氨是重要的化工产品之一,广泛应用于化肥和燃料生产等领域.目前我国仍采用传统的Haber-Bosch工艺合成氨,该工艺消耗大量的化石燃料并造成环境污染.因此,开发一种高效、环保的氨合成方法代替Haber-Bosch工艺,减少能源消耗和保护环境具有非常重要的意义.电化学氮还原(eNRR)工艺由于使用可再生能源,成为有前景的替代方法之一.但目前eNRR工艺面临着许多挑战:较大的过电位以及析氢反应都会导致氨合成反应性能不理想.因此,理性设计电催化剂以提高氨合成效率成为当务之急.本文总结了近年e NRR领域的最新进展,以期为开发高性能催化剂提供借鉴.本文从eNRR的反应机理入手,介绍了eNRR的检测方法和反应条件,总结了近年来电催化剂的设计策略、原位表征方法和理论计算的研究成果,并对领域未来发展进行展望.首先,从理论热力学和NH3检测等方面讨论了eNRR的关键难点.然后,从形态、结构、空位、掺杂、协同效应、异质结构和单原子等多方面总结了eNRR催化剂的设计策略.此外,介绍了原位拉曼、原位红外、原位电化学质谱和原位X射线吸收光谱等技术在电催化氮还原机理研究中的重要作用.讨论了密度泛函理论(DFT)...     

光电化学氮还原:一种可持续的氨合成方法（英文）

氨是一种重要的化工产品和非碳基能源载体,全球年产量已达2亿吨.目前,氨的工业化生产主要依赖Haber-Bosch工艺,其能耗高且污染严重.因此亟需开发一种低碳环保的替代工艺以实现氨合成工业的可持续发展.现阶段主要有三种比较有发展潜力的新型氨合成工艺,即电催化、光催化和光电化学氮还原产氨技术.这些氮还原技术都可在温和环境条件下合成氨,具有能耗低、零排放等优势,被认为是替代Haber-Bosch工艺的有效途径,受到广泛关注.其中,与前两者相比,光电化学氮还原具有明显优势:与电催化氮还原相比,光电化学氮还原能够实现从太阳能到化学能的直接转化,具有较高的能量转化效率;而与光催化氮还原相比,光电化学氮还原系统中的外加偏压能够加速激子分离,有效提高太阳能到化学能的转化效率.在光电化学氮还原过程中,其核心组件光电阴极材料的性能决定了反应的氨产量、选择性和稳定性.本文总结了近年来光电化学氮还原领域的最新进展,特别是其中涉及的光阴极材料.首先,详细介绍了光电化学氮还原所涉及的基本原理和面临的主要瓶颈.其次,逐一总结了已报道的用于光电化学氮还原的光电阴极材料,包括氧化物(氧化铜、氧化亚铜、碘氧化铋、溴化氧...     

La掺杂的TiO2纳米棒在常温常压下可促进电催化的N2转化为NH3

氨在化肥、染料、药品和炸药的制造中起着重要作用.目前,传统的Haber-Bosch工艺主要用于NH3的大规模工业化生产,在苛刻的反应条件(300～500℃,150～300 atm)下不可避免地伴随着温室气体的过量排放.因此,必须寻求一种绿色并且可持续的方法来生产NH3.电化学还原N2 (NRR)已成为在环境条件下将N2连续固定NH3的一种有吸引力的替代方法.由于稳定的N-N具有较强的偶极矩并与析氢反应存在激烈竞争,因此需要高效的NRR催化剂.TiO2是典型的n型半导体,被认为是一种很有前途的NRR电催化剂.最近的研究表明,La2O3对N2还原电催化也具有活性,然而镧金属的稀土性质限制了其大规模应用.本文研究发现镧可以作为一种有效的掺杂剂提高TiO2的NRR活性.通过水热法制备了镧掺杂的TiO2纳米棒(La-TiO2).透射电子显微镜结果表明,原始TiO2与La-TiO2在形貌上都是纳米棒,镧的引入对其形貌并没有显著影响.选区电子衍射证实了La-TiO2纳米棒的高结晶度和四边形单晶结构.电子自旋共振分析结果表明La-TiO2纳米棒中存在氧空位.La-TiO2的线性扫描伏安曲线结果表明,在N2饱和电解液中的电流密度明显大于在Ar饱和电解液中,说明NRR的发生.为了进一步证实这一假设,在五个不同电位下分别进行了一系列的计时电流测试,结果表明,连续电解2h后在-0.70 V时,NH3产率最高,达23.06 μg h-1 mgcat-1,并且法拉第效率也最大,达14.54％.此外,电解2h后,没有检测到副产物N2H4,表明La-TiO2催化剂对NH3合成具有良好的选择性.本文还比较了La-TiO2/CP,TiO2/CP和CP的NRR电催化性能,结果表明,La-TiO2/CP的NH3产率最高,说明La的引入提高了La-TiO2的NRR活性.La-TiO2/CP通过在-0.70 V下连续6次循环测试以及连续48 h电解测试证实La-TiO2对NRR电催化具有良好的电化学稳定性.通过对La-Ov构型进行密度泛函理论计算,重点研究*N2+H++e-→*NNH的反应步骤,由于*N2加氢的自由能垒较低,La-TiO2更容易激活N2分子,计算了La-TiO2和纯TiO2上*NNH中间体的电荷密度差异,*NNH与La-TiO2之间存在更多的电荷转移.采用N-N键的积分晶体轨道哈密顿布居(ICOHP)分析出La-TiO2的ICOHP负值较小(-16.67 vs.-19.93),说明N-N键的活化更多.     

解析光电化学氮还原合成氨中局域电子结构和合金化的协同效应（英文）

氨是氮肥等工业的主要原料,因此氨产量居各种化工产品的首位.目前,90%以上的氨通过传统Haber-Bosch法制得,但该反应需要在高温高压下进行,消耗大量能源,同时排放大量CO₂.基于此,科研人员致力于寻求一种绿色、高效的合成氨替代方法.其中,利用太阳能,通过光电化学氮还原合成氨是最有潜力和竞争力的方法之一,该方法也为有效利用太阳能提供了新途径.目前,虽然光电化学氮还原研究取得了一定进展,但是氨产率和氮转换效率低限制了其经济可行性.这主要归因于四个方面:(1)牢固的氮氮三键使得氮气难以活化;(2)复杂的多步和多电子反应使得动力学迟缓;(3)析氢竞争反应降低了太阳能-氨的转换效率;(4)氮气在水溶液中的溶解度低导致吸附在光电阴极表面的氮气较少.为解决上述问题,本文通过溅射法在B掺杂的p型(100)晶向硅片上共沉积Au,Co和Pd,然后在600℃下和空气中快速退火,制得由助催化剂/保护层/光吸收层组成的层级硅基光电阴极,并用于氮还原合成氨.成分和结构表征结果表明,层级硅基光电阴极由p型硅光吸收层、二氧化硅保护薄层和AuCoPd合金纳米颗粒助催化剂组成,该电极可表示为A...     

非金属电催化剂环境条件下氮还原反应的研究进展（英文）

在现代社会中氨是一种重要的工业原料,广泛应用于化工业、塑料制造,炸药以及染料等行业。由于氨气中不含碳,氢容量大、能量密度高且易于运输,已经被视为一种绿色能源替代品。Haber-Bosch方法在全球合成氨中起着主导作用,但其过程在高温高压条件下进行,且伴随着高能耗和CO_2排放的问题。电催化氮还原反应(NRR)有望成为常规条件下低成本且环境无害的替代方法,且具有太阳能、风能和其他可再生能源相同的应用潜力。然而,由于惰性的N≡N键,它需要有效的电催化剂来驱动氮气-氨气的转化。迄今为止,人们一直在努力探索高性能催化剂,以实现高效率和选择性。通常,贵金属催化剂具有较高的NRR效率,但是稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用。因此,人们将注意力集中在丰富的过渡金属(TM)催化剂上,该催化剂可以通过空的轨道接受氮气分子的孤对电子,同时提供丰富的d-轨道电子进入氮气的反键轨道。然而,这些催化剂可能释放金属离子,导致环境污染,并且大多数金属电催化剂也可能促进金属与氢成键,从而在电催化反应过程中促进了析氢反应(HER)。近年来,非金属催化剂已经成为一个研究热点。非金属催化剂主要包括碳基催化剂(CBC)以及一些硼基和磷基催化剂。通常,碳基催化剂具有多孔结构和较大的表面积,这有利于暴露更多的活性位点,并为质子和电子的传递提供了丰富的通道。本文总结了近期非金属电催化剂(MFCs)在电化学NRR中的设计和发展状况,包括碳基、硼基和磷基催化剂。此外,大多数非金属化合物的路易斯酸位也可以接受氮气的孤对电子并通过形成非金属和氮成键来吸附氮气分子,从而进一步扩大了它们在电催化NRR中的潜力。与金属基催化剂相比,非金属催化剂的占据轨道只能形成共价键或共轭π键,从而阻碍了电子从催化剂到氮气分子的转移以及分子的活化。我们重点讨论了掺杂型催化剂(N,O,S,B,P,F掺杂以及共掺杂)、有机聚合物、氮化碳及缺陷和表面修饰催化剂。最后,我们还讨论了提高NRR性能的方法,展望了非金属电催化剂的发展前景。     

多价MnOx/C电催化剂用于高效氮还原反应

氨在人类的生产生活中起着重要的作用,但目前工业上合成氨广泛采用的Haber-Bosch法耗能大,且污染严重。 而N₂电还原反应(ENRR)被认为是一种有效的替代方法,由于N₂的键能较高,目前仍然缺乏高活性的催化剂。 在这里,通过简单的浸渍法和氧化还原法制备了多价态的MnO_x/C催化剂,该催化剂具有较高的氮还原反应活性(氨产率达到7.8 μg_NH3/(h·mg_cat),法拉第效率高达9.2%) 。进一步研究表明,多价态MnO_x/C催化剂具有高氮还原反应活性的主要原因是不同价态的Mn离子(Mn²⁺、Mn³⁺、Mn⁴⁺)之间存在协同效应。     

基于非贵金属催化剂常温常压电化学合成氨

氨是一种重要的化工原料和能量载体,“哈伯反应”是工业上合成氨最主要的方法,但是该方法存在着能耗高,大量排放温室气体CO₂以及转化率低等问题。近年来,常温常压下基于多相催化剂的电化学还原N₂反应(NRR)来制备氨因其原料(N₂ + H₂O)易得,不依赖传统化石能源以及条件温和等原因而表现出巨大的应用潜能,并受到了科学家的广泛关注。然而目前NRR仍存在着如催化剂以贵金属材料为主,催化效率低和催化机理未明确等问题亟待解决。本综述主要总结了电催化NRR的最新研究成果,首先介绍了电催化NRR热力学和催化机理,接着重点列举了基于非贵金属催化剂的研究进展,包括过渡金属氧化物、氮化物、硫化物、非金属催化剂及单原子催化剂等,然后讨论了几种NRR电催化剂的改性方法,以及常见的产物氨的定性定量方法,最后,就目前该研究方向中仍待解决的问题进行了总结,并对下一步的研究进行了展望。     

电催化氮还原催化剂的研究进展

氨气作为一种工业原料,具有良好的储氢性能,在工业,农业,药品生产等很多领域得到了广泛的应用.电化学氮还原以清洁能源氢作为原料,反应条件温和,近些年来受到了科学家们的广泛关注.对近些年来电化学氮还原(NRR)催化剂的发展与研究进行了综述,并对它们的合成方法,性能及稳定性进行了深入探讨.     

无氮铁基电催化氮气分子活化的研究进展

氨气不仅被广泛应用于制造氮肥,还是一种易液化且无碳的绿色能源载体.工业固氮的Haber-Bosch工艺每年消耗全球超过1%的能耗,还伴随着大量二氧化碳气体的排放等问题,而电催化氮还原反应可以在常温常压下低能耗地合成氨,因此设计高催化性能的氮气分子活化电催化剂成为科研工作者的首要研究目标.受自然界中固氮酶和Haber-Bosch工艺催化剂的启发,价格低廉且含量丰富的铁基催化剂受到广泛关注.但由于含氮催化剂可能导致氮还原假阳性等问题,因此本文综述了无氮铁基电催化剂(氧化物、硫化物、碳化物、磷化物和铁基金属有机骨架等)在氮还原方面的最新研究进展,为研究人员在执行氮还原实验确定氮源的操作中提出合理建议,希望可以为铁基催化剂的设计和开发提供新的研究思路和参考.     

磷掺杂碳负载ZnxPyOz常温常压下高效电催化合成氨

合成氨(NH₃)的发展是现代工业进程和人类生存的基石。受氮气(N₂)化学惰性的限制,当前的合成氨工业能源消耗高并且排放大量的二氧化碳。电化学氮气还原反应(NRR),是有望取代高能耗的Haber-Bosch (HB)合成法的一种绿色可持续的合成氨工艺。然而,因氮气以及析氢竞争富反应(HER)导致电催化氮气还原极低的NH₃产率和能量转换效率一直是目前人工固氮领域面临的挑战。在本文中,我们报道了一种具有丰富孔结构的磷掺杂碳(PC)负载Zn₃(PO₄)₂/Zn₂P₂O₇纳米复合材料(h-PC/Zn₃(PO₄)₂/Zn₂P₂O₇),在酸性和中性介质中将N₂高效催化转化为NH₃。其独特的分级多孔结构提高了表面粗糙度并加快了氮气在催...     

不同氮源用于电催化合成氨的研究进展

氨是化肥生产和化学工业的重要原料,也是良好的无碳储能燃料.相比于工业应用上能耗大、转化率低的哈勃博施(Haber-Bosch)法,电催化合成氨的方法能够在温和条件下绿色高效地合成氨.本文综合评述了以氮气、硝酸根和一氧化氮作为不同氮源时电催化合成氨的反应机理,并结合不同氮源的特点分析了各自的研究进展与优势,分别讨论了氮气难以溶解在水中被吸附和活化、硝酸盐还原元素价态跨度大难以控制中间体和反应路径及一氧化氮体系复杂、水溶液中析氢副反应难以控制等问题,总结了运用不同策略开发高活性、高稳定性催化剂以提高反应效率和选择性、优化反应装置以减小传质影响、选用不同电解质体系改善反应过程等解决思路.最后,对不同氮源电催化合成氨的未来发展趋势和应用前景进行了展望.     

FeS2/MoS2纳米花异质结室温电催化固氮

氨及其产物在储氢、农业和工业上都不可或缺,与此同时环境问题日益受到关注,二氧化碳零排放、低电能消耗的电催化固氮已经成为世界各国能源发展的重要战略目标．本工作中,从生物固氮酶中的Fe-Mo-S辅助因子获得灵感,一锅法合成了FeS₂/MoS₂双金属硫化物催化剂,用于电化学氮还原(NRR).FeS₂/MoS₂催化剂由纳米片构筑形成的纳米花形貌,增大了催化剂的活性表面积．并且FeS₂/MoS₂双金属硫化物之间的协同作用和异质界面有助于界面间电子转移,提高催化剂的活性．对FeS₂/MoS₂催化剂在0.1mol·L^-1 HCl电解质中进行电化学氮还原测试,-0.2V (νs.RHE)下氨产率最高可达(11.3±0.18)μg·h^-1·mg^-1,法拉第效率为(5.29±0.12)%．在酸性介质中既表现出良好的NRR活性也展示出极好的稳定性．这为进一步探索具有异质...     

基于理论指导的电催化剂调控:从机制分析到结构设计（英文）

电催化在许多清洁能源转换技术中起着核心作用,能够与光伏、风电和水电等可再生能源发电系统耦合,解决全球能源和气候危机.一些重要的电化学转化过程,包含析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、氮还原反应(NRR)和二氧化碳还原(CO2RR)等,引起了广泛的研究兴趣.实现这些电催化技术大规模应用的核心在于开发先进的电催化材料.传统电催化剂的研发依赖于“试错法”实验合成,这一过程耗时漫长、成本较高.近20年来,基于理论指导的新材料开发成为更先进的电催化剂设计思路,这主要受益于:(1)重要的基本理论、活性描述符与催化剂机制的确立;(2)计算化学在电化学领域的成熟.这些进展揭示了电催化剂的构效规律,加速了电催化剂的研发过程.本文梳理了电催化剂设计理论发展的关键历程.首先,萨巴捷原则指出理想催化剂的吸附应该是“中庸”的:过弱的吸附无法使反应发生,过强的吸附将导致催化剂表面被覆盖而无法进一步反应.火山型曲线准确描绘了这一现象,并为此提供了可定量的数学表达,但仍缺少量化吸附的物理量.随着计算机技术与密度泛函理论的不断发展,人们能够获得吸附能、活化能等微观物理量.同时, Br?nste...     

La掺杂的TiO_2纳米棒在常温常压下可促进电催化的N_2转化为NH_3（英文）

氨在化肥、染料、药品和炸药的制造中起着重要作用.目前,传统的Haber-Bosch工艺主要用于NH_3的大规模工业化生产,在苛刻的反应条件(300～500℃,150～300 atm)下不可避免地伴随着温室气体的过量排放.因此,必须寻求一种绿色并且可持续的方法来生产NH_3.电化学还原N_2 (NRR)已成为在环境条件下将N_2连续固定NH_3的一种有吸引力的替代方法.由于稳定的N≡N具有较强的偶极矩并与析氢反应存在激烈竞争,因此需要高效的NRR催化剂.TiO_2是典型的n型半导体,被认为是一种很有前途的NRR电催化剂.最近的研究表明,La_2O_3对N_2还原电催化也具有活性,然而镧金属的稀土性质限制了其大规模应用.本文研究发现镧可以作为一种有效的掺杂剂提高TiO_2的NRR活性.通过水热法制备了镧掺杂的TiO_2纳米棒(La-TiO_2).透射电子显微镜结果表明,原始TiO_2与La-TiO_2在形貌上都是纳米棒,镧的引入对其形貌并没有显著影响.选区电子衍射证实了La-TiO_2纳米棒的高结晶度和四边形单晶结构.电子自旋共振分析结果表明La-TiO_2纳米棒中存在氧空位.La-TiO_2的线性扫描伏安曲线结果表明,在N_2饱和电解液中的电流密度明显大于在Ar饱和电解液中,说明NRR的发生.为了进一步证实这一假设,在五个不同电位下分别进行了一系列的计时电流测试,结果表明,连续电解2 h后在-0.70 V时,NH_3产率最高,达23.06mg h~(-1) mg~(-1)_(cat),并且法拉第效率也最大,达14.54%.此外,电解2 h后,没有检测到副产物N_2H_4,表明La-TiO_2催化剂对NH_3合成具有良好的选择性.本文还比较了La-TiO_2/CP,TiO_2/CP和CP的NRR电催化性能,结果表明,La-TiO_2/CP的NH_3产率最高,说明La的引入提高了La-TiO_2的NRR活性.La-TiO_2/CP通过在-0.70 V下连续6次循环测试以及连续48 h电解测试证实La-TiO_2对NRR电催化具有良好的电化学稳定性.通过对La-O_v构型进行密度泛函理论计算,重点研究*N_2+H~++e~-→*NNH的反应步骤,由于*N_2加氢的自由能垒较低,La-TiO_2更容易激活N_2分子,计算了La-TiO_2和纯TiO_2上*NNH中间体的电荷密度差异,*NNH与La-TiO_2之间存在更多的电荷转移.采用N–N键的积分晶体轨道哈密顿布居(ICOHP)分析出La-TiO_2的ICOHP负值较小(-16.67 vs.-19.93),说明N–N键的活化更多.     

过渡金属原子对掺杂g-CN单层作为高效氮电催化剂性能

由于氨是药物、肥料和树脂等领域的基础,氨合成一直广受关注.工业中主要通过Haber-Bosch反应制备氨,反应需要在高温高压下进行.因此,探索其它氨合成技术对减轻能源消耗和缓解温室效应具有重大意义.在溶液条件下,采用水作为氢质子源,电化学还原氮合成氨方法受到了极大关注.然而,大多数电催化剂难以活化氮气分子且电催化氮气还原过程中存在副反应竞争,因此,研发高效的电催化材料仍然是一个重要研究领域.研究人员探索了多种电催化材料,其中,双原子对催化剂成为电催化领域的研究热点.与单原子催化剂相比,双原子对催化剂不仅具有低配位的金属原子,而且可以通过调节额外分散的金属原子来改善多数电催化反应性能.作为一种新型碳氮材料,二维g-CN具有高表面积、多孔结构以及出色的光学活性和热力学稳定性,可以与金属原子对良好地适配,是一种有潜力的基底材料.然而,目前有关金属双原子对负载在g-CN单层上作为电催化剂催化N₂分子还原性能尚不清楚.本文采用密度泛函理论计算研究了N₂分子在过渡金属原子对(TM=Sc~Zn)掺杂g-CN单层上的吸附和活化,根据吉布斯自由能详细地研究了电催化合成氨的电化学机理.计算发现,在Fe₂@CN和Co₂@CN催化剂上,其决速步骤的自由能变化分别为0.47和0.78 eV.对于Fe₂@CN,N₂电还原反应机制遵循末端路径,而在Co₂@CN上,其还原过程为末端或混合路径.由于Co₂@CN对析氢反应的抑制效果较好,因此该电催化材料体系极具竞争力.相比于Co₂@CN,Fe₂@CN具有较好的氮气活化性能,但选择性较差.另外,N₂分子与Fe₂@CN和Co₂@CN之间存在电荷的接受-给予过程,这在活化惰性N₂分子中氮原子间的三键上起到了关键作用.第一性原理分子动力学模拟结果表明,Fe₂@CN和Co₂@CN表现出较高的结构稳定性.因此,本文深入探讨了过渡金属原子对掺杂g-CN单层催化剂上的氮气还原效率及机制,为合理设计该系列的高效、低成本电催化剂提供理论依据.     

纤维基氧化还原电催化剂的研究进展

化石燃料的过度使用带来了严峻的环境污染问题,积极探索开发绿色可持续的能源转换和存储技术是目前研究的重要方向.以氢燃料和空气为动力的质子交换膜燃料电池和金属空气电池在众多能源技术中脱颖而出.但其工作过程中涉及的氧还原反应(ORR)严重制约了清洁能源技术的广泛使用.纤维结构催化材料具有其比表面积高、几何结构可调及制备简单便捷等优势,在氧还原领域备受关注.本文综合评述了纤维结构催化材料金属活性中心的可控调节,介绍了纤维结构电催化材料在氧还原反应电催化方面的最新进展,揭示了纤维结构氧还原催化剂在电催化ORR反应中的构效关系,讨论了纤维结构电催化材料在ORR电催化中面临的挑战和机遇.     

双金属氮化物Co3W3N/CNTs纳米复合材料的制备及其室温常压氮还原性能

采用水热法并经氨气保护热处理制备了双过渡金属氮化物Co3W3N/CNTs复合材料,得到了价格低廉且拥有良好氮电化学还原性能(NRR)的催化剂。通过调节已经预氧化的CNTs与过渡金属氮化物前驱体CoWO4的比例以及氨气热处理温度,实现了Co3W3N在CNTs表面的均匀负载。扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)测试结果显示该电化学活性纳米微粒均匀地分散于CNTs表面,表明经预氧化的CNTs由于表面富集了较多的活性基团,有利于双过渡金属氮化物的分散生长。热处理后CNTs表面的Co3W3N微粒尺寸约为20 nm,相较于无载体的Co3W3N尺寸(100 nm)有明显减小。室温条件下,在N2饱和的0.01 mol·L^-1 H2SO4溶液中测试了该纳米复合材料在不同过电位下的NRR,该材料在-0.3 V(vs RHE)时的产氨率及法拉第效率分别可达12.73μg·h^-1·cm-2和13.59%,对比同样条件下,纯相Co3W3N的产氨率及法拉第效率仅为1.08μg·h^-1·cm^-2和1.76%。结果表明,通过水热反应和氨气保护热处理的Co3W3N/CNTs纳米复合材料具有良好的NRR性能。