用于电催化氧化甲醛的新型Ni(OH)2-X/CPE负载电极的制备

采用一种简易的方法制备了新型Ni(OH)2-X/CPE电极,并将其用于电催化氧化甲醛反应.采用扫描电镜和能量散射谱对所制Ni(OH)2-X/CPE电极进行了表征,并运用循环伏安法、电化学阻抗谱和计时电流法考察了该电极的电化学性能.结果表明,该Ni(OH)2-X/CPE电极对甲醛氧化表现出高电催化活性,这归功于X具有纳米孔结构和大的比表面积.电子传递系数和催化反应速率常数分别为0.7和6.1×104 cm3/(mol·s).该电极对甲醛氧化具有高而稳定的电催化活性,且制备重复性高,有望应用于燃料电池中.     

高性能Pt纳米管中管电催化剂在甲醇燃料电池中的应用

通过ZnO模板辅助的电沉积方法设计和合成了Pt管中管阵列.作为一种具有利用率高、活性物质传输快的三维结构的电催化剂,Pt管中管阵列显示了高电化学活性面积（64.9 m²/gPt）.与Pt纳米管和商业Pt/C催化剂相比,Pt管中管阵列明显提高了甲醇氧化电催化活性和稳定性.另外,Pt管中管阵列也显示了优越的抗CO毒化能力.这个研究展示了高性能Pt基直接甲醇燃料电池电催化的一个重要进展.     

含硝基咔唑类有机电催化剂的合成及其对醇的电催化氧化

有机小分子的电催化氧化是催化领域的一个重要研究内容.通过醇的选择性氧化合成相应醛或酮类化合物在精细化学品和有机化学中间体的合成领域均具有十分重要的意义.有机电催化合成用电子代替强氧化还原剂,可以使反应在比较温和的条件下进行.但在直接电氧化合成反应中,电极表面容易生成有机聚合物膜,使电极钝化,电流效率急剧下降.而在电子转移媒质作用下的有机电催化反应不仅可以避免电极表面钝化,还可以控制目标产物的过度氧化.三芳胺类化合物是一类新型的电氧化还原媒质,由于其具有较宽的电化学氧化还原电位已引起研究者的广泛关注.咔唑类化合物相比于三芳胺类具有更好的平面性,使得取代基效应更为显著.咔唑类化合物被广泛作为荧光材料,但用于电化学方面的研究很少.本文通过在咔唑类化合物中引入具有强吸电子性的硝基以提高该类化合物的氧化电位,并将其作为有机电催化媒质,采用间接电化学氧化的方式,在室温下研究醇的电化学催化氧化反应,合成相应醛类化合物.
　　我们合成了三种含硝基咔唑类有机电催化剂,通过1H NMR对其结构进行了鉴定.采用循环伏安法测试了该类有机电催化剂的电化学氧化还原性能.发现取代基的电子效应对有机电催化剂的氧化还原电位及电化学氧化还原可逆性有很大的影响,供电子基(–OCH3)的引入使氧化电位负移(0.717 V),吸电子基(–Br)的引入使氧化电位明显正移(1.282 V).同时,取代基的引入有效改善了有机电催化剂的电化学可逆性,从而可以作为有效的电氧化还原媒质应用于电化学氧化反应中.而当把化合物中的NO2还原为NH2后,咔唑类化合物的电化学氧化还原可逆性完全消失,表明硝基的引入对咔唑类有机电催化剂的电化学性能有很大的影响.
　　循环伏安结果发现,在咔唑类硝基化合物的作用下,对甲氧基苯甲醇(p-MBzOH)的电化学氧化峰电位从1.350 V降至1.286 V,表明可以在较低电位下进行电解,有效降低了电氧化反应的能耗,同时氧化峰电流明显增加,说明该类有机电催化剂对p-MBzOH具有良好的电催化性能.随着p-MBzOH浓度的增加,氧化峰电流也明显增大,说明在咔唑类有机电催化剂的作用下, p-MBzOH可以在比较高的浓度下进行电化学氧化电解.通过对不同对位取代基的苯甲醇类化合物进行循环伏安研究,发现含硝基咔唑类化合物对具有较高氧化电位的反应底物均表现出良好的电催化氧化性能.
　　在含硝基咔唑类有机电催化剂的氧化电位(1.28 V)和室温下,对不同浓度的p-MBzOH进行恒电位电解6 h,发现当催化剂的用量为底物的2.5 mol%时, p-MBzOH可以完全转化为相应的醛类目标产物.而且恒电位电解后分离回收的含硝基咔唑类有机电催化剂仍具有良好的电化学氧化还原可逆性.     

脉冲电催化的研究进展及性能强化机制

基于电催化的能源转化、化学品合成及污染物降解技术是解决能源与环境问题的重要方式. 一些研究已经证明, 通过简单地施加周期性切换电位的脉冲供电策略, 将会有效提升电催化性能. 本文对脉冲供电策略在电化学高级氧化、电化学二氧化碳还原、有机电合成、电解水制氢等经典电化学体系中的应用及研究进展进行了综述, 并具体分析了其对各类电催化反应性能的强化机制, 这些机制主要包括: 通过周期性更新能斯特扩散层的物质浓度以增强催化活性; 通过动态调控中间体吸附能以提高催化选择性; 通过维持催化剂表面处于非平衡状态, 避免催化剂失活以提高催化剂的稳定性. 最后, 本文展望了脉冲电催化未来所面临的机遇与挑战.     

导电高分子薄膜修饰电极的研究 Ⅰ.聚吡咯薄膜电极的电化学合成及行为

聚吡咯(PPy)是发展较早的一种杂环导电高分子,有关其制备、电化学形为和表征已有文献报道.PPy 不仅具有良好的导电性和较高的稳定性,而且易于制备.利用在电化学聚合过程中可能掺入目的功能团的特点,PPy 作为一种修饰电极对电催化和电分析方面的研究已引起了注意.目前,PPy 的制备主要集中于有机体系,而在水溶液中的研究还较少.本文用电     

二维材料用于电催化析氢的研究进展

电催化水分解因其丰富的原料来源和环境友好被认为是一种有前途的制氢技术. 开发用于电催化析氢反应的高效电催化剂是迫切需要的. 随着石墨烯的兴起, 二维(2D)材料因其独特的物理、 化学和电子特性, 已逐渐成为水电解的潜在候选材料. 本文介绍了二维材料用于电化学水分解产生氢气的最新进展, 概括了二维材料的合成方法, 总结了改善二维材料电化学析氢性能的策略, 讨论了该领域面临的挑战和未来的发展机遇.     

电化学沉积制备纳米结构铜电极及其葡萄糖检测性能

利用电化学沉积法制备了高电活性的纳米结构铜电极材料, 采用扫描电子显微镜和电化学方法分别对电极表面形貌和电化学性能进行了表征, 研究了实验参数对葡萄糖电氧化活性的影响. 结果表明, 改变沉积条件可以调控沉积铜的形貌及电催化活性. 在最佳条件下制备的铜纳米结构电极对葡萄糖检测的灵敏度为1310 μA·L/mmol, 检出限为5.0×10^-7 mol/L(S/N=3).     

质子给受体对电催化反应影响的研究进展

质子给受体是众多电催化反应中重要的参与者,质子给受体种类和浓度对电催化反应速率甚至产物种类均会有显著影响。本文从电催化析氢、二氧化碳的电化学还原、电催化析氧及醇的电化学氧化生成醛酮的典型反应机理出发,总结这4种电催化反应中所用质子给受体种类及质子转移路径等,探讨它们对电催化反应效率的影响。     

直接甲醇燃料电池阳极催化剂PtRu/MWCNTs的水热合成及其电催化行为

采用水热法合成了PtRu/MWCNTs阳极催化剂,并以循环伏安、线性扫描、计时电流和交流阻抗等电化学测试研究了其对甲醇的电催化氧化,结果表明,水热合成的PtRu/MWCNTs较之同样条件下合成的PtRu/Vu lcan XC-72有更好的对甲醇氧化的催化活性和更强的抗毒化能力。     

聚硅烷的电化学合成

聚硅烷是一类链骨架中仅含硅原子的高聚物,主链的上的非定域σ键电子赋予了聚硅烷独特的光电性质,也是制备陶瓷材料的先驱体。电化学法是最近兴起且具发展前景的一种合成聚硅烷的方法,它是通过电解池中阴极还原氯硅烷来制取高聚物,反应条件温和,且能大大拓宽聚硅烷的功能化。本文就聚硅烷的电化学合成的实施方法;影响因素包括电解槽类型、电...     

单原子催化剂的合成及其能源电催化应用的研究进展

基于电化学反应的能源储存与转化技术为全球能源结构的转型提供了一条绿色、 可持续的途径, 高效的电催化剂在其中扮演着重要的角色. 得益于在物理、 化学性质上的独特优势, 单原子催化剂在电催化能源转化方面展现出巨大的应用前景. 本文综合评述了单原子催化剂的合成及其能源电催化应用的研究进展, 介绍了单原子催化剂的常见表征手段, 总结了单原子催化剂的合成方法(湿化学法、 高温热解法、 原子沉积法、 电化学沉积法等), 并介绍了该类材料在氧还原、 二氧化碳电还原、 电解水及氮气电还原反应中的研究进展, 重点探讨了催化剂微观结构与其性能之间的关系, 最后, 对单原子能源电催化领域所面临的挑战进行了总结, 并对该领域未来的发展方向进行了展望.     

二维金属纳米材料的合成及电催化应用的研究进展

基于各种电化学过程的能源转化技术是未来可持续能源利用和发展的关键, 而催化剂在其中扮演着非常重要的角色. 二维金属纳米材料因其独特的物理化学性质在许多电催化反应中都展现出巨大的应用潜力, 也因此受到了广泛关注. 本文介绍了二维金属纳米材料的常见合成方法与策略, 并综合评述了近年来该类材料在电催化应用领域中的研究进展, 重点探讨了材料的组分和微观结构等因素对其性能的影响机理, 最后对二维金属纳米材料目前所面临的挑战以及未来的研究方向进行了总结与展望.     

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。     

金属单原子催化剂在电催化二氧化碳和水裂解的研究进展

利用电催化技术开发新型能源,是替代传统能源的一种新策略,大量使用化石燃料导致的环境问题有望会通过此技术的发展而得到良好解决,设计并制备出高效稳定的电催化剂对于新型能源技术开发应用至关重要.单原子催化剂(SACs)在载体上具有原子分布的活性位点,是催化领域的新兴材料,具有美好的应用前景,现已成为电催化领域的研究热点.在此综述中,详细阐述了单原子电催化剂的一般载体、制备方法及其先进表征方法,系统总结了单原子电催化剂在能量转化和环境保护(CO₂还原、水裂解)方面的应用.同时,基于各种单原子催化剂研究的最新进展,简单阐述了催化机制,讨论了单原子催化剂在电催化方向的发展挑战和前景,希望为单原子电催化剂的合成、设计和应用提供经验,以更好地促进电催化能量转换方面的发展.     

Low-Dimensional High-Entropy Alloys for Advanced Electrocatalytic Reactions

Low-dimensional high-entropy alloy (HEA) nanomaterials are widely employed as electrocatalysts for energy conversion reactions, due to their inherent advantages, including high electron mobility, rich catalytically active site, optimal electronic structure. Moreover, the high-entropy, lattice distortion, and sluggish diffusion effects also enable them to be promising electrocatalysts. A thorough understanding on the structure-activity relationships of low-dimensional HEA catalyst play a huge role in the future pursuit of more efficient electrocatalysts. In this review, we summarize the recent progress of low-dimensional HEA nanomaterials for efficient catalytic energy conversion. By systematically discussing the fundamentals of HEA and properties of low-dimensional nanostructures, we highlight the advantages of low-dimensional HEAs. Subsequently, we also present many low-dimensional HEA catalysts for electrocatalytic reactions, aiming to gain a better understanding on the structure-activity relationship. Finally, a series of upcoming challenges and issues are also thoroughly proposed as well as their future directions.     

精确可控串联策略触发高效的氧还原活性

探索高效、经济的非金属氧还原(ORR)电催化剂已成为电化学能源体系的关键.科学界最具挑战性的目标之一是通过合理地验证和精确地调节活性位点来设计结构明确、性能优异的催化剂材料.本文提出一种精确和可控的串联协同作用的活性位点策略,以提高MFCOFs的ORR催化活性.以亚胺-N、噻吩-S和三嗪-N等作为结构单元,通过精确的串...     

电化学合成纳米材料和小分子材料在电解制氢领域的应用

氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、 增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。     

Recent Approaches to Design Electrocatalysts Based on Metal–Organic Frameworks and Their Derivatives

Rational design and synthesis of efficient electrocatalysts are important constituents in addressing the currently growing provision issues. Typical reactions, which are important to catalyze in this respect, include CO₂ reduction, the hydrogen and oxygen evolution reactions as well as the oxygen reduction reaction. The most efficient catalysts known up‐to‐date for these processes usually contain expensive and scarce elements, substantially impeding implementation of such electrocatalysts at a larger scale. Metal‐organic frameworks (MOFs) and their derivatives containing affordable components and building blocks, as an emerging class of porous functional materials, have been recently attracting a great attention thanks to their tunable structure and composition together with high surface area, just to name a few. Up to now, several MOFs and MOF‐derivatives have been reported as electrode materials for the energy‐related electrocatalytic application. In this review article, we summarize and analyze current approaches to design such materials. The design strategies to improve the Faradaic efficiency and selectivity of these catalysts are discussed. Last but not least, we discuss some novel strategies to enhance the conductivity, chemical stability and efficiency of MOF‐derived electrocatalysts.     

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.     

Solid-State Conversion Synthesis of Advanced Electrocatalysts for Water Splitting

Electrolytic water technology is promising for sustainable energy utilization, but the lack of efficient electrocatalysts retards its application. The intrinsic activity of electrocatalysts is determined by its electronic structure, whereas the apparent activity can be further optimized by reasonable design on micro-/nanostructures of electrocatalysts. The core goal of electrocatalytic research is to reveal the relationship between the structure and performance of electrocatalysts, which is also the basis of reasonable design and construction of efficient electrocatalysts. Traditional synthetic methods, namely bottom-up and top-down routes, usually induce the change of different structural parameters at the same time. The solid-state conversion strategy, which is converts solid precursors into target materials through chemical reactions, has been widely adopted to produce materials with precisely controllable structures. In this Minireview, we focus on recent advances in the solid-state conversion synthesis of water-splitting electrocatalysts. First, the basis of solid-state conversion chemistry is introduced. Then, the specific methods of precise control of electronic structure by solid-state conversion and the relationship between electronic structure and performance are summarized. Based on the understanding of the electronic structure–performance relationship, synergistic regulation of electronic structure and micro-/nanostructures by solid-state conversion to achieve the copromotion of intrinsic activity and apparent activity are described. Finally, the remaining challenges in this field are discussed, and future research directions are proposed as well.