聚苯胺衍生Fe-N-C催化剂在碱性电解质中对氧还原反应的催化性能

经过热解聚苯胺、碳和FeCl₃的混合物制备的Fe-N-C材料在酸性电解质中对氧还原反应表现出高的催化活性;由于材料中不存在任何贵金属, 因而被认为是一类新型非贵金属氧还原催化剂. 然而这类催化剂在碱性电解质中催化氧还原反应的性能如何尚不清楚. 本文使用旋转圆盘电极技术考察了制备的两个Fe-N-C催化剂在KOH水溶液中催化氧还原反应性能, 发现这两个催化剂表现出比无金属的N掺杂碳材料更高的活性. 与商业Pt/C催化剂相比, 它们催化氧还原反应的起始电势和半波电势分别仅低60和40 mV左右, 计时电流测试表明, 它们比Pt/C催化剂显示出更好的稳定性. 此外, 在这两个Fe-N-C催化剂上的氧还原反应主要遵循四电子途径. 本工作显示, Fe-N-C材料有望用于碱性燃料电池氧还原反应催化剂.     

钴原子团簇用于高效氧还原反应

探索非贵金属材料作为高效氧还原反应催化剂是迫切需要的，但具有一定的挑战性。本文采用等离子体轰击和酸洗相结合的策略合成了Co原子团簇修饰的多孔碳载体催化剂(Co_AC/NC)。通过多种表征手段证实了的原子团簇特征。所得到的Co_AC/NC催化剂在三电极体系和锌-空电池方面都表现出优异的氧还原反应活性。该催化剂的氧还原反应半波电位为0.887 V，显著优于商业Pt/C催化剂，且表现出优异的稳定性。此外，该催化剂组装的锌-空电池的峰值功率密度为181.5 mW∙cm⁻²，同样远高于Pt/C催化剂。这项工作不仅合成了一种高效的氧还原反应催化剂，而且为原子团簇催化剂的理性设计和实际应用提供了新的见解。     

树脂包覆ZIF-67衍生物制备Co-基氮掺杂多孔碳材料作为ORR催化剂的研究

高稳定性、高性能、低成本的氧还原反应（ORR）非贵金属催化剂对碱性燃料电池的发展具有重大意义。本研究利用杂原子（N,S）掺杂多孔碳材料和ZIF-67中非贵金属的协同作用制备出性能优良的非贵金属催化剂Co-N/S@CET。物理表征得出炭化后的催化剂表面具有介孔结构,且Co和N进行了大量配位,并且通过XPS测试揭示了催化剂中具有大量Co-N_x活性位点。电化学测试结果表明,Co-N/S@CET具有良好的ORR活性和稳定性,极限电流密度达5.0mA/cm²,半波电位达0.85V,且具有优异的稳定性（10000s后仅衰减4%）。     

低温燃料电池氧电极催化剂*

氧电极催化剂及缓慢的阴极氧还原动力学是制约低温燃料电池商业化的关键瓶颈因素之一。为此,国内外研究者近年来从提高低温燃料电池氧电极催化剂的催化活性和稳定性、降低催化剂的成本、发展非贵金属氧还原催化剂等方面开展了大量的研究工作,有力地促进了低温燃料电池的发展进程。本文在简要介绍低温燃料电池氧电极反应机理的基础上,从催化剂载体、贵金属及其合金催化剂、金属大环化合物及M-N/C类催化剂和过渡金属硫族化合物类催化剂等方面详细综述了低温燃料电池氧电极催化剂近年来的主要研究进展,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向。     

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。     

氧还原反应前沿与进展

主要介绍氧还原反应的研究意义、反应机理以及研究现状。氧还原反应作为燃料电池的阴极反应,其能否高效进行将直接影响燃料电池的转化效率。目前,氧还原反应的反应机制仍存在较大争议,包括活性位点及反应步骤等。商业碳载铂虽然活性很高,然而其在实际应用中却会受到多方面限制。本文着重介绍了近些年报道的非金属及非贵金属催化剂。非金属及非贵金属催化剂在自然界中资源丰富、价格低廉、制备简单、导电性及稳定性良好,且不会被小分子毒化。所以,对非金属及非贵金属材料的氧还原研究可为新型能源装置的应用提供参考。     

表面修饰型铂基氧还原电催化剂研究进展

氧气还原反应是燃料电池中的重要电极反应,但其动力学过程非常迟缓,需高度依赖资源稀缺、价格高昂的贵金属Pt。加之Pt基催化剂还面临着实际工况下耐久性不足的问题,这些都严重阻碍了燃料电池的产业化进程。对Pt基纳米催化剂进行表面功能化修饰可有效优化和提升其氧还原活性和稳定性。本文综述了最近几年表面修饰型Pt基氧还原催化剂的最新研究,着重探讨了表面修饰物的选择、表面修饰的手段和策略以及表面修饰前后对催化剂氧还原性能的影响,并指出该类型催化剂未来发展方向。     

长春应化所金属氮碳氧还原催化剂的研究进展

氧还原反应是燃料电池的核心,开发高性能催化剂一直是燃料电池技术面临的严峻挑战. 近年来,热解M-N-C催化剂的发展和以金属有机骨架材料为前驱体的运用让非贵金属氧还原催化剂的性能大幅度提升,但催化活性位点、反应机理等方面仍不甚清晰,需要分子水平上进一步的研究. 在这里,作者总结了本课题组近些年来在氧还原方向上的研究成果,首先是对催化剂活性位点进行的相关探索,提出了新的活性位点结构,为开发新型催化剂提供了帮助,并对金属氮碳催化剂进行了细致的微观调控,探讨了最佳的合成方法;其次开发了高效的双原子Co₂N₅催化剂,并在理论计算的指导下合成出了更为高效的FeCo双原子催化剂,具备了替代铂基催化剂的性能;最后针对芬顿反应引发的稳定性问题而开发的低芬顿反应活性的单原子Cr和单原子Ru催化剂,表现出了较高的活性和稳定性,为解决催化剂实际应用问题开辟了新的研究思路与方向. 作者相信,通过对催化剂活性位点的不断认知和对新型催化剂的不断开发,终会让非贵金属催化的商业化应用成为现实.     

钴/氮掺杂碳催化剂及其氧还原催化机理研究

以尿素做氮源、醋酸钴做金属源,用湿法合并高温热处理法合成了钴/氮共掺杂碳的非贵金属氧还原催化剂Co-N/C-T. 采用循环伏安（CV）法和线性扫描法（LSV）探究了氮源和金属源用量以及热处理温度对氧还原反应电催化活性的影响,活性最好的催化剂Co_0.13-N_0.3/C-800的峰电位达到0.829 V（vs.RHE）,接近商用Pt/C的活性,但比商用Pt/C有更好的耐甲醇性和稳定性. 同时,采用SEM,TEM,BET,XRD和XPS方法表征了催化剂结构和组分特征,并提出催化剂可能的电催化活性氧还原反应机理.     

直接甲醇燃料电池新型阴极非贵金属催化剂的制备及表征

制约燃料电池产业化的一个因素是其成本问题,尤其是贵金属催化剂的使用.若采用非贵金属催化剂,燃料电池的成本将会大幅降低.本文探索了一种新型非贵金属氧还原催化剂.首次利用微波加热法制备了具有高比表面的纳米碳化钨.XRD结果证明形成了碳化钨晶体,可以得到单纯的W2C或W2C和WC的混合物.通过TEM研究了粉末中碳化钨的颗粒大小和分布状况.结果表明碳化钨在碳载体上分散均匀,颗粒在10 nm左右.电化学表征结果表明碳化钨在碱性环境中对氧还原反应有一定的催化性能.同时证明碳化钨催化的氧还原反应几乎不受甲醇的影响.因此,碳化钨由于其独特的优势而具有在燃料电池中取代贵金属作为催化剂的可能.     

高活性和耐久性非铂氧还原催化剂的研究进展（英文）

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓,需要消耗大量的贵金属催化剂,这限制了其商业化应用。目前,原子级分散的M-N-C (M=Fe,Co,Mn等)催化剂受到人们青睐,有望替代铂催化剂。在过去的几十年里,M-N-C催化剂取得了很大的进步,具有优异的ORR活性,而且燃料电池初始性能有希望接近传统的Pt/C催化剂。然而,这些高活性的Fe-N-C催化剂在燃料电池实际工作条件下的稳定性比较差。这篇综述总结了在高效氧还原M-N-C催化剂方面的最近进展,主要概述了作者课题组在限域策略和自旋调控方面的贡献。此外,我们还总结了几种提高活性的有效方法以及近期的关于揭示M-N-C催化剂的降解机制的认识,如金属浸出、碳腐蚀、质子化和微孔淹没都会造成催化剂降解。为改善M-N-C催化剂的寿命,我们概括了文献中的缓解策略,包括控制催化剂中S1/S2位点、使用非铁基催化剂、增强金属氮键、改善碳载体的耐腐蚀性和使用质子缓冲液等。最后,提出了目前原子级分散的M-N-C催化剂的存在的挑战和可能的解决方案。     

碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能

燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置,被认为是构建未来社会可再生能源结构的关键一环。不同于质子交换膜燃料电池(PEMFC),碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)的出现使非贵金属催化剂的使用成为可能,因而受到了日益广泛的关注和研究。APEFC的关键结构是膜电极,主要由聚合物电解质膜和阴阳极(含催化层、气体扩散层)组成,膜电极是电化学反应发生的场所,其优劣直接决定着电池性能的好坏。因此,基于现有的碱性聚合物电解质及催化剂体系,如何构筑更加优化的膜电极结构,使APEFC发挥出更高的电池性能是亟待开展的研究。本文首先通过模板法在碱性聚合物电解质膜的表面构建出有序的锥形阵列,再将具有阵列结构的一侧作为阴极来构筑膜电极,同时,作为对比,制备了由无阵列结构的聚合物电解质膜构筑而成的膜电极,最后对基于两种不同膜电极的APEFC的电化学性能进行了对比研究。实验结果表明,锥形阵列结构可以将APEFC的峰值功率密度由1.04 W·cm-2显著提高到1.48 W·cm-2,这主要归因于在APEFC的阴极侧具有锥形阵列结构的聚合物电解质膜的亲水性的提升和催化剂电化学活性面积的增加。本工作为碱性聚合物电解质燃...     

单原子配位结构及与载体相互作用的调控用于二氧化碳电催化还原

The combustion of fossil fuels increases atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentrations, leading to adverse impacts on the planetary radiation balance and, consequently, on the climate. Fossil fuel utilization has contributed to a marked rise in global temperatures, now at least 1.2 ℃ above 'pre-industrial' levels. To meet the 2015 Paris Agreement target of 1.5 ℃ above pre-industrial levels, considerable efforts are required to efficiently capture and utilize CO₂. Among the different strategies developed for converting CO₂, electrochemical CO₂ reduction (ECR) to valuable chemicals using renewable energy is expected to revolutionize the manufacture of sustainable "green" chemicals, thereby achieving a closed anthropogenic carbon cycle. However, CO₂ is a thermodynamically stable and kinetically inert molecule that requires high electrical energy to bend the linear O＝C＝O bond by attacking the C atom. To facilitate the ECR with good energy efficiency, it is essential to lower the reaction overpotential as well as maintain a high current density and desirable product selectivity; therefore, the design and development of advanced electrocatalysts are crucial. A plethora of heterogeneous and homogeneous materials has been explored in the ECR. Among these materials, single-atom catalysts (SACs) have been the focus of most extensive research in the context of ECR. A SAC with isolated metal atoms dispersed on a supporting host exhibits a unique electronic structure, well-defined coordination environment, and an extremely high atom utilization maximum; thus, SACs have emerged as promising materials over the last two decades. Single-atom catalysis has covered the periodic table from d-block and ds-block metals to p-block metals. The types of support materials for SACs, ranging from metal oxides to tailored carbon materials, have also expanded. The adsorption strength and catalytic activity of SACs can be effectively tuned by modulating the central metal and local coordination structure of the SACs. In this article, we discuss the progress made to date in the field of single-atom catalysis for promoting ECR. We provide a comprehensive review of state-of-the-art SACs for the ECR in terms of product distribution, selectivity, partial current density, and performance stability. Special attention is paid to the modification of SACs to improve the ECR efficiency. This includes tailoring the coordination of the heteroatom, constructing bimetallic sites, engineering the morphologies and surface defects of supports, and regulating surface functional groups. The correlation of the coordination structure of SACs and metal-support interactions with ECR performance is analyzed. Finally, development opportunities and challenges for the application of SACs in the ECR, especially to form multi-carbon products, are presented.     

单原子配位结构及与载体相互作用的调控用于二氧化碳电催化还原

电催化二氧化碳还原(ECR) 制备高值化学品被认为是在碳中和背景下实现可再生能源存储及降低CO₂浓度的一种有效策略。为了实现此目标,催化剂的开发与设计是ECR研究的关键。单原子催化剂(SACs) 因其独特的电子结构、明确的配位环境和极高的原子利用率,近年来在ECR领域引起了广泛关注。通过调节SACs的中心金属元素种类和局部配位结构,可有效调节SACs对CO₂和其还原中间体的吸附强度和催化活性。本文总结了SACs在ECR领域所取得的最新研究进展,重点讨论了SACs的配位结构及其与载体之间的相互作用对催化活性的影响以及相关调控策略,最后,提出了SACs应用于ECR所面临的机遇与挑战。     

单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控

氧还原反应(ORR)在电化学能量存储和转换系统以及精细化学制剂的清洁合成中发挥着重要作用. 然而, ORR过程的动力学极其缓慢, 需要使用铂族贵金属催化剂加快其反应动力学速率. 铂基催化剂的高成本严重阻碍了其大规模的商业化. 由于单原子催化剂(SACs)具有结构明确、 本征活性高和原子效率高的特点, 有望取代昂贵的铂族贵金属催化剂. 迄今, 在进一步提高SACs的ORR活性方面已有大量的研究报道, 包括定制金属中心的配位结构、 丰富金属中心的浓度以及设计衬底的电子结构和孔隙率等. 本文综合评述了近年来SACs在ORR性能以及与ORR相关的H₂O₂生产、 金属-空气电池和低温燃料电池等方面的应用研究进展. 总结了通过引入其它金属或配体来调整孤立金属中心的配位结构、 通过增加金属负载来增加单原子位点的浓度以及通过优化载体的孔隙度来优化催化性能和电子传输等方面的研究进展, 并对SCAs的未来发展方向和面临的挑战提出了展望.     

卤化物固态电解质研究进展

全固态电池因其高能量密度和高安全性而成为具有发展前景的下一代储能技术。开发具有高室温离子电导率、优异化学/电化学稳定性、良好正/负极兼容性的固态电解质是实现全固态电池实用化的关键。卤化物固态电解质因其优异的电化学窗口、高正极稳定性、可接受的室温锂离子电导率等优势,受到了广泛的关注。本文通过对近年来卤化物电解质的相关研究进行总结,综述了该类电解质的组成、结构、离子传导路径及制备方法,并分析了金属卤化物电解质的电导率、稳定性特点,归纳了近年来该电解质在全固态电池中具有代表性的应用,并基于以上总结和分析,指出了卤化物固态电解质的研究难点及发展方向。     

负载Pt-WOx催化剂上甘油选择氢解合成1, 3-丙二醇

Glycerol is a versatile platform compound that is formed in considerable amounts as a by-product of biodiesel production. The catalytic selective hydrogenolysis of glycerol to 1, 3-propanediol (1, 3-PDO) provides a sustainable route for the synthesis of this important diol. In this study, a series of platinum-tungsten oxide (Pt-WO_x) catalysts with different WO_x surface densities dispersed on titanium(Ⅳ) oxide, zirconium(Ⅳ) oxide, and aluminum oxide supports were prepared and evaluated for the glycerol hydrogenolysis to 1, 3-PDO. The highest reaction activity and 1, 3-PDO selectivity were achieved at a WO_x density of approximately 1.5–2.0 W·nm⁻², with all three support materials. Such a strong dependence on the surface density of WO_x revealed the critical role of the dispersed WO_x domains in the hydrogenolysis of glycerol to 1, 3-PDO. The infrared spectra for carbon monoxide adsorption confirmed the electron transfer and strong interaction between the Pt particles and WO_x domains. These phenomena were hypothesized to contribute to the superior selectivity to 1, 3-PDO over 1, 2-PDO of the supported Pt-WO_x catalysts when compared with the corresponding supported Pt catalysts. The realized superior 1, 3-PDO selectivity was consistent with its higher stability on the Pt-WO_x catalysts, as reflected by the lower reaction rate constant of 1, 3-PDO than those of 1, 2-PDO and glycerol obtained in their hydrogenolysis reactions. There existed a volcano-type dependence of the glycerol reaction activity on the hydrogen partial pressure. Such a dependence, together with the measured ratio (1 : 2) of the secondary to the primary C−H bonds in 1, 3-PDO in the presence of deuterium and deuterium oxide (replacing hydrogen and water, respectively), indicated that the glycerol hydrogenolysis proceeds by the kinetically relevant dehydrogenation of glycerol to the glyceraldehyde intermediate, followed by the dehydration and hydrogenation of glyceraldehyde to 1, 3-PDO over the Pt-WO_x catalysts.      

负载Pt-WOx催化剂上甘油选择氢解合成1, 3-丙二醇

甘油是重要的生物质基平台分子,可以从生物柴油生产过程中作为副产物大量获得。本文采用等容浸渍法,在氧化钛、三氧化二铝和氧化锆载体上制备一系列具有不同WO₃表面密度的负载Pt-WO_x催化剂,研究了它们在甘油选择氢解合成1, 3-丙二醇反应中的催化性能。实验结果表明,WO₃的表面密度显著影响这些催化剂的活性和1, 3-丙二醇选择性,它们均在1.5–2.0 W∙nm⁻²表面密度时表现出最优性能,表明分散的WO_x物种是影响Pt-WO_x催化剂性能的关键因素。通过原位红外CO吸附表征等方法发现Pt粒子与WO_x物种之间存在电荷转移和强相互作用,进而提高Pt-WO_x催化剂的甘油氢解转化为1, 3-丙二醇的活性。进一步比较甘油、1, 2-丙二醇和1, 3-丙二醇的氢解反应发现,1, 3-丙二醇的氢解速率常数低于甘油和1, 2-丙二醇,表明在Pt-WO_x催化剂上1, 3-丙二醇具有更高的反应稳定性,这跟Pt-WO_x催化剂具有较高的1, 3-丙二醇选择性相一致。结合氢气分压对甘油氢解活性表现出的火山型影响结果和在D₂/D₂O存在下,观察到的1, 3-丙二醇产物中仲碳与伯碳上的H原子数的比例(~1 : 2),我们推测在甘油氢解合成1, 3-丙二醇反应中,甘油首先在Pt-WO_x催化剂上脱氢生成甘油醛中间体,然后甘油醛进一步脱水和加氢转化为1, 3-丙二醇。     

分散溶剂对PEMFC催化层中超薄Nafion离聚物质子传导的影响

质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化应用的瓶颈仍然是贵金属催化剂导致的成本问题。然而,目前对于催化层中纳米尺度全氟磺酸离聚物(以Nafion为代表)薄膜中质子传导的问题研究不足,无法完善三相界面的成型规律,进而指导催化层设计。在催化层浆料制备过程中,分散溶剂对Nafion的分散形态有直接影响,可能对催化层成型后附着在催化剂颗粒表面Nafion薄膜的微观结构有潜在影响,进而影响Nafion薄膜的质子传导能力。因此,在本文中利用分子自组装技术模拟催化层离聚物薄膜的聚集过程,于模型基底上制备厚度精确可控的纳米尺度Nafion薄膜,并通过微观测试表征技术探索并建立纳米尺度Nafion离聚物的微观结构模型,阐明分散溶剂对Nafion薄膜微观结构及质子传导的影响。研究发现Nafion薄膜在纳米尺度下的质子电导率比体相膜的质子电导率低一个数量级,使用介电常数较小的醇类溶剂可以使Nafion薄膜形成更有利于质子传导的微观结构,使Nafion薄膜的质子电导率得到提高。相关研究结果为优化PEMFC催化层结构,改善PEMFC催化层中质子传导问题提供给了依据。