石墨烯基氧还原催化剂在金属空气电池中的应用

随着金属空气电池技术的不断发展,氧还原催化剂成为限制其动力化的最主要瓶颈之一。近几年来,石墨烯基氧还原催化剂(GORRC)由于优异的氧还原催化活性而备受关注。本文结合石墨烯基氧还原催化剂的研究现状,将其分为三类:石墨烯作氧还原催化剂载体,氮掺杂石墨烯作为氧还原催化剂,以及氮掺杂石墨烯与其他催化剂形成的复合催化体系,并对这三种石墨烯基氧还原催化剂进行了详细的综述。石墨烯作为一种优良的催化剂载体,能够显著降低活性物质负载量,提高氧还原催化剂的催化活性和长期稳定性。氮掺杂石墨烯显示了优良的氧还原催化性能。氮掺杂石墨烯与其他催化剂复合后,由于两者之间的相互作用,可得到性能更为优异的氧还原催化剂。最后,本文还对石墨烯基氧还原催化剂及其在金属空气电池中的研究前景和发展方向进行了展望,指出了将来的研究重点。     

氮掺杂石墨烯的制备及其对氧还原反应的电催化性能

以氧化石墨烯（GO）为原料、丙酮肟（DMKO）为还原剂和氮掺杂剂,采用化学还原法制备了不同氮掺杂含量的石墨烯（NG）. 利用场发射透射电子显微镜（FETEM）、紫外-可见（UV-Vis）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、X射线光电子能谱（XPS）、zeta 电位和纳米粒度分析、循环伏安（CV）和旋转圆盘电极（RDE）等手段对材料的形貌、结构、成分和电化学性质进行表征. 结果显示：DMKO能有效地还原GO,且通过调节GO与DMKO的质量比,可以得到不同还原效果的NG,其氮含量范围为4.40%-5.89%（原子分数）;GO与DMKO的质量比为1：0.7时制备的氮掺杂石墨烯（NG-1）在O₂饱和0.1 mol·L^-1 KOH溶液中对氧还原反应（ORR）的电催化性能最佳,其ORR峰电流为0.93 mA·cm^-2,电子转移数为3.6,这归因于其较高含量的吡啶-N增加了材料的ORR活性位点. 此外,石墨化-N由于其较高的电子导电性倾向于产生较高的氧还原峰电流,而吡啶-N较低的超电势倾向于产生较正的氧还原峰电位. 与商用Pt/C相比,该材料展现出了优异的抗CH₃OH“跨界效应”的特性.     

水电解制氢非贵金属催化剂的研究进展

氢能作为零碳排放能源是被公认的最清洁能源之一,如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的问题。电解水技术基于电化学分解水的原理,利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气,被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而,无论是光解水还是电解水,均需要高活性、高稳定性的非贵金属氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。本文介绍了我们研究所近三年在水电解方面的研究进展,其中着重介绍了：（ⅰ）氢析出催化剂,包括利用低温磷化过渡金属（氢）氧化物的方法制备过渡金属磷化物,同时过渡金属硫化物、硒化物以及碳化物等均被成功合成并被应用为有效的阴极析氢催化剂;（ⅱ）氧析出催化剂,主要包括金属磷化物、硫化物、氧化物/氢氧化物等;（ⅲ）双功能催化剂,主要包括过渡金属磷化物、硒化物、硫化物等。最后,总结展望了发展水电解非贵金属催化剂所面临的挑战与未来发展方向。     

非贵金属电催化析氧催化剂的最新进展

氢气具有环境友好、含量丰富、高能量密度等特点,是一种可以替代化石能源的绿色环保可再生能源. 电解水是制备氢气最有效途径之一. 但在电解水过程中,动力学过程非常缓慢,过电位较大的阳极析氧半反应严重限制了阴极析氢反应效率. 因此,研究高效、稳定和低成本的催化剂来降低析氧反应的过电位,从而提高析氢反应效率受到了广泛关注. 基于非贵金属催化剂本身特性及其在高浓度OH-条件下具有较高OER催化活性等原因,本文首先简要介绍碱性条件下析氧反应机理及其性能的评价方法,然后重点讨论非贵金属电催化析氧催化剂的最新研究进展. 最后对如何深入研究催化机理、设计高效、双功能及新型非贵金属电催化析氧催化剂进行了展望.     

碳纳米管基非贵金属催化剂在电催化氧化还原中的应用研究进展

燃料电池和金属-空气电池是将化学能直接转化成电能的绿色电池,具有能量密度高、安全和环保等优点,相比传统能源具有独特优势。然而,目前阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)使用的贵金属铂(Pt)储量低,成本高,易中毒失活,严重限制了燃料电池的大规模应用。因此,开发廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂成为研究热点。碳纳米管具有本征sp~2杂化结构、优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性等突出优点,受到广泛关注。本文综述了碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的最新进展,主要包括非金属掺杂、过渡金属-氮-碳纳米管、负载过渡金属及其衍生物(氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等)、负载单原子、与其他碳材料(石墨烯、多孔碳、碳纳米纤维)复合以及碳纳米管基自支撑电极。最后,对碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的研究前景和下一步研究方向进行了展望。     

碳纳米管基非贵金属催化剂在电催化氧化还原中的应用研究进展

燃料电池和金属-空气电池是将化学能直接转化成电能的绿色电池,具有能量密度高、安全和环保等优点,相比传统能源具有独特优势。然而,目前阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）使用的贵金属铂（Pt）储量低,成本高,易中毒失活,严重限制了燃料电池的大规模应用。因此,开发廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂成为研究热点。碳纳米管具有本征sp²杂化结构、优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性等突出优点,受到广泛关注。本文综述了碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的最新进展,主要包括非金属掺杂、过渡金属-氮-碳纳米管、负载过渡金属及其衍生物（氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等）、负载单原子、与其他碳材料（石墨烯、多孔碳、碳纳米纤维）复合以及碳纳米管基自支撑电极。最后,对碳纳米管基非贵金属ORR催化剂的研究前景和下一步研究方向进行了展望。     

碳基非贵金属氧还原电催化剂的活性位结构研究进展

以热解型Fe/N/C为代表的碳基非贵金属材料被认为是当前最具潜力替代铂的非贵金属氧还原催化剂,其综合性能的进一步突破,对于推动质子交换膜燃料电池商业化应用具有重要意义。对热解型Fe/N/C催化剂活性位结构的深入认识是实现催化剂高活性位密度和高稳定性理性设计的关键。本文总结了热解型Fe/N/C活性位的研究进展,重点介绍了非晶态铁氮配位活性中心、氮掺杂和碳缺陷三类活性位构型。由于热解型Fe/N/C是非均相的,结构非常复杂,导致在活性位认识上还存在诸多争议,本文总结阐述了活性位结构的不同观点。最后,我们展望了Fe/N/C催化剂活性位研究的未来方向。     

氮掺杂石墨烯的制备及其对氧还原反应的电催化性能

以氧化石墨烯(GO)为原料、丙酮肟(DMKO)为还原剂和氮掺杂剂,采用化学还原法制备了不同氮掺杂含量的石墨烯(NG).利用场发射透射电子显微镜(FETEM)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、zeta电位和纳米粒度分析、循环伏安(CV)和旋转圆盘电极(RDE)等手段对材料的形貌、结构、成分和电化学性质进行表征.结果显示:DMKO能有效地还原GO,且通过调节GO与DMKO的质量比,可以得到不同还原效果的NG,其氮含量范围为4.40%-5.89%(原子分数);GO与DMKO的质量比为1:0.7时制备的氮掺杂石墨烯(NG-1)在O2饱和0.1 mol·L-1KOH溶液中对氧还原反应(ORR)的电催化性能最佳,其ORR峰电流为0.93 mA·cm-2,电子转移数为3.6,这归因于其较高含量的吡啶-N增加了材料的ORR活性位点.此外,石墨化-N由于其较高的电子导电性倾向于产生较高的氧还原峰电流,而吡啶-N较低的超电势倾向于产生较正的氧还原峰电位.与商用Pt/C相比,该材料展现出了优异的抗CH3OH"跨界效应"的特性.     

单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用（英文）

自2011年张涛院士等首次提出单原子催化剂(SACs)概念以来,单原子催化迅速成为研究热点.SACs具有最大的原子利用率、独特的结构和性能,因而在催化领域具有很好的应用前景,备受关注.本文首先介绍了基于自下而上和自上而下合成策略的各种SACs制备方法以及近年来相应的研究进展,其中包括浸渍法、共沉淀法、原子层沉积法等较为传统的催化剂合成策略,以及缺陷设计法、空间限域法和火焰喷雾热解法等新方法,并详述了这些制备方法在实际应用中的优缺点.对于电催化原理分析方面,较详细地介绍了各电化学能源转换领域相关催化反应的理论计算结果以及各催化反应相应的原理与途径.然后重点介绍了含贵金属(Pt, Pd, Ir等)和非贵金属(Fe,Cu,Co等)的SACs在析氧反应、析氢反应、氧还原反应、CO2还原反应和氮还原反应中的电催化应用.最后讨论了SACs的应用前景和未来面临的挑战:(1)深入进行SACs制备方法的研究,提高合成策略的实际应用可行性以推进催化剂的工业化进程;(2)提高SACs中金属负载量,以提升其催化性能;(3)结合理论计算,增强对SACs配位环境、电子结构的精确控制,进而优化催化剂的催化性能;(4...     

电催化产氢:从原理到应用

全球人口增长及对能源需求的不断增大使能源安全问题日益严峻,开发可持续的非化石燃料能源是解决问题的有效途径.氢能具有无二氧化碳排放、能量密度高等特点,因此氢气被认为是理想的能源载体.在能量转换过程中,氢气可经由电能从再生能源中产生,以化学键的形式储存能量,亦可在需要时通过燃料电池或其他设备转换回电能并输送给终端.因此,探...     

Polyoxometalate-Based Compounds for Photo- and Electrocatalytic Applications

Photo/electrocatalysis of water (H₂O) splitting and CO₂ reduction reactions is a promising strategy to alleviate the energy crisis and excessive CO₂ emissions. For the hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), and CO₂ reduction reaction (CO₂RR) involved, the development of effective photo/electrocatalysts is critical to reduce the activation energy and accelerate the sluggish dynamics. Polyoxometalate (POM)-based compounds with tunable compositions and diverse structures are emerging as unique photo/electrocatalysts for these reactions as they offer unparalleled advantages such as outstanding solution and redox stability, quasi-semiconductor behaviour, etc. This Minireview provides a basic introduction related to photo/electrocatalytic HER, OER and CO₂RR, followed by the classification of pristine POM-based compounds toward different catalytic reactions. Recent breakthroughs in engineering POM-based compounds as efficient photo/electrocatalysts are highlighted. Finally, the advantages, challenges, strategies and outlooks of POM-based compounds on improving photo/electrocatalytic performance are discussed.     

氮掺杂石墨炭包覆的钴纳米催化剂作高效、高稳定性电催化制氢

电催化制氢是解决当前能源危机的重要手段之一。 研究高效稳定的非贵金属电催化剂是电催化制氢商业应用的重点。 本文通过直接高温热解双金属沸石咪唑骨架,制备了一种氮掺杂石墨炭(NC)包覆均匀分布的钴纳米颗粒电催化剂(V-Co@NC,这里V是vacancy缩写),前躯体中的Zn元素有效地防止钴纳米颗粒的聚集,并有助于生成均匀分布的钴纳米颗粒。 这种特殊的纳米结构可防止钴与电解液的直接接触,提升了其循环稳定性,同时,氮元素的掺杂提升了导电性,有利于电催化制氢性能的提升。 结果表明,所制备的V-Co@NC催化剂在酸性和碱性电解液中均具有良好的催化性能,且经过5000次循环测试后催化活性基本保持不变,具有良好的应用前景。为高活性和高选择性的电催化制氢催化剂的发展提供一种全新的途径。     

ZIF-67/石墨烯复合物衍生的氮掺杂碳限域Co纳米颗粒用于高效电催化氧还原

燃料电池阴极氧还原(ORR)催化剂目前主要以商业Pt/C为主, 其高成本和稀缺性极大地限制了燃料电池的广泛应用. 为了替代Pt/C催化剂, 廉价高效的非贵金属催化剂目前受到了广泛的研究和关注. 利用氧化石墨烯(GO)为诱导模板, 借助表面丰富的含氧官能团, 实现了Co基金属有机框架材料(MOF) (ZIF-67)在GO表面的原位生长, 构筑了ZIF-67/GO层状复合材料. 热解过程中, 石墨烯的存在有效抑制了Co纳米颗粒的团聚, 并且很好地维持了原始的层状结构. 最终获得的Co@N-C/rGO复合催化剂材料实现了活性位的高度分散, 并且具有丰富的孔结构和优异的导电性能. 在电化学性能测试中Co@N-C/rGO表现出优异的ORR性能, 其起始电位为0.96 V, 半波电位0.83 V, 远优于ZIF-67直接热解得到的Co@N-C材料, 且性能与商业Pt/C催化剂相当. 此外, Co@N-C/rGO复合催化剂还表现出良好的催化稳定性和甲醇耐受性, 显示出该材料作为燃料电池氧还原催化剂的重要潜力.     

经由[Ni(en)3](SeO3)配合物电镀制备的硒化镍高效电催化水分解反应

电催化水分解是一种高效制备清洁氢气能源的有效方法. 开发高效、稳定、廉价、双功能的电催化剂用于水的氧化与还原反应一直以来都是具有挑战的课题. 在这篇论文中,作者报道了一种生长在碳布上高活性的硒化镍微球. 该催化剂通过对同时包含镍和硒元素的亚硒酸镍配合物进行电解制备. 由于前驱分子同时含有两种有效元素,制备得到的硒化镍具有很好的形貌和元素分步均一性. 制备得到的NiSe-EA/CC电极能够双功能催化水的氧化与还原. 在154 mV析氢过电势下能达到10 mA·cm^-2的催化电流. 同时,在250 mV析氧过电势下能达到20 mA·cm^-2电催化电流. 用该电极材料同时作为阴极和阳极制备的全电解水电解池能在1.53 V的电压下实现10 mA·cm^-2的稳定电解电流.     

N,P‐Codoped Carbon Networks as Efficient Metal‐free Bifunctional Catalysts for Oxygen Reduction and Hydrogen Evolution Reactions

The high cost and scarcity of noble metal catalysts, such as Pt, have hindered the hydrogen production from electrochemical water splitting, the oxygen reduction in fuel cells and batteries. Herein, we developed a simple template‐free approach to three‐dimensional porous carbon networks codoped with nitrogen and phosphorus by pyrolysis of a supermolecular aggregate of self‐assembled melamine, phytic acid, and graphene oxide (MPSA/GO). The pyrolyzed MPSA/GO acted as the first metal‐free bifunctional catalyst with high activities for both oxygen reduction and hydrogen evolution. Zn–air batteries with the pyrolyzed MPSA/GO air electrode showed a high peak power density (310 W g^?1) and an excellent durability. Thus, the pyrolyzed MPSA/GO is a promising bifunctional catalyst for renewable energy technologies, particularly regenerative fuel cells.     

Three‐Dimensional Graphene Networks with Abundant Sharp Edge Sites for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution

To achieve sustainable production of hydrogen (H₂) through water splitting, establishing efficient and earth‐abundant electrocatalysts is of great necessity. Morphology engineering of graphene is now shown to modulate the electronic structure of carbon skeleton and in turn endow it with excellent ability of proton reduction. Three‐dimensional (3D) graphene networks with a high density of sharp edge sites are synthesized. Electrocatalytic measurements indicate that the obtained 3D graphene networks can electrocatalyze H₂ evolution with an extremely low onset potential of about 18 mV in 0.5 m H₂SO₄ solution, together with good stability. A combination of control experiments and density functional theory (DFT) investigations indicates that the exceptional H₂ evolution performance is attributed to the abundant sharp edge sites of the advanced frameworks, which are responsible for promoting the adsorption and reduction of protons.     

Phase-Selective Syntheses of Cobalt Telluride Nanofleeces for Efficient Oxygen Evolution Catalysts

Cobalt-based nanomaterials have been intensively explored as promising noble-metal-free oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts. Herein, we report phase-selective syntheses of novel hierarchical CoTe₂ and CoTe nanofleeces for efficient OER catalysts. The CoTe₂ nanofleeces exhibited excellent electrocatalytic activity and stablity for OER in alkaline media. The CoTe₂ catalyst exhibited superior OER activity compared to the CoTe catalyst, which is comparable to the state-of-the-art RuO₂ catalyst. Density functional theory calculations showed that the binding strength and lateral interaction of the reaction intermediates on CoTe₂ and CoTe are essential for determining the overpotential required under different conditions. This study provides valuable insights for the rational design of noble-metal-free OER catalysts with high performance and low cost by use of Co-based chalcogenides.     

Bifunctional Catalysts for Reversible Oxygen Evolution Reaction and Oxygen Reduction Reaction

Metal-air batteries (MABs) and reversible fuel cells (RFCs) rely on the bifunctional oxygen catalysts for oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR). Finding efficient bifunctional oxygen catalysts is the ultimate goal and it has attracted a great deal of attention. The dilemma is that a good ORR catalyst is not necessarily efficient for OER, and vice versa. Thus, the development of a new type of bifunctional oxygen catalysts should ensure that the catalysts exhibit high activity for both OER and ORR. Composites with multicomponents for active centers supported on highly conductive matrices could be able to meet the challenges and offering new opportunities. In this Review, the evolution of bifunctional catalysts is summarized and discussed aiming to deliver high-performance bifunctional catalysts with low overpotentials.     

Promoting Subordinate,Efficient Ruthenium Sites with Interstitial Silicon for Pt‐Like Electrocatalytic Activity

The fundamental understanding and rational manipulation of catalytic site preference at extended solid surfaces is crucial in the search for advanced catalysts. Herein we find that the Ru top sites at metallic ruthenium surface have efficient Pt‐like activity for the hydrogen evolution reaction (HER), but they are subordinate to their adjacent, less active Ru₃‐hollow sites due to the stronger hydrogen‐binding ability of the latter. We also present an interstitial incorporation strategy for the promotion of the Ru top sites from subordinate to dominant character, while maintaining Pt‐like catalytic activity. Our combined theoretical and experimental studies further identify intermetallic RuSi as a highly active, non‐Pt material for catalyzing the HER, because of its suitable electronic structure governed by a good balance of ligand and strain effects.