石墨烯负载金属氧化物催化剂在氧还原反应中的研究进展EI北大核心

催化剂对氧还原反应(ORR)起到至关重要的作用。近年来,人们为寻找可替代Pt金属的高性能非贵金属催化剂付出了诸多努力。过渡金属氧化物作为具备优异ORR催化活性的催化剂之一,成本低廉、储量丰富,在ORR催化领域具有巨大潜力,因而引起广泛的研究。但由于大部分过渡金属氧化物导电性差,极大地阻碍了其催化活性,所以将其负载于合适的载体上,对提高ORR性能有重要意义。石墨烯以其独特的电子特性、优异的导电性以及其他良好的物理、化学性质被广泛作为载体使用。本文综述了石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂的研究进展,主要从石墨烯载体分类、制备方法、过渡金属氧化物分类等多角度讨论了该类催化剂在ORR中的应用及发展前景,指出石墨烯负载过渡金属氧化物作为ORR催化剂应致力于将开发杂原子掺杂石墨烯作为载体、复合金属氧化物作为活性物质的主要发展方向,并趋向于降低制备工艺的能耗和周期,提高催化剂的性能,达到降本增效的目的。     

磷氮掺杂石墨烯层封装FeP纳米颗粒的增强ORR催化性能

开发高效的非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂来替代铂基催化剂受到了广泛关注.设计合成在碱性电解质和酸性电解质中均表现出高催化活性的非贵金属催化剂仍然是一个挑战.在本文中,我们通过前驱体热解法制备了一种纳米复合催化剂(FeP@PGL),该催化剂由氮掺杂的碳纳米片以及镶嵌在片层上的磷掺杂石墨烯层封装磷化铁(FeP)纳米颗粒组成.FeP@PGL催化剂表现出优异的ORR催化性能,在碱性介质中的起始电位和半波电势分别高达1.01 V和0.90 V vs.RHE;在酸性介质中的起始电位和半波电势分别高达0.95 V和0.81 V vs.RHE.通过详细的电子显微和谱学表征,我们发现碳纳米片基质与包裹纳米颗粒的碳包裹层存在组成的差别,磷掺杂主要发生在包裹FeP纳米颗粒的石墨烯层上.封装的FeP纳米颗粒与外层磷掺杂石墨烯层之间存在界面电荷转移,并且通过界面相互作用降低了催化剂表面的功函数.FeP和磷掺杂石墨烯层之间的界面协同作用对于增强催化剂ORR活性至关重要.本文不仅证明了封装型FeP基纳米复合催化剂在氧还原反应上的应用价值,而且为界面电荷转移效应及其在ORR过程中的作用提供了实验证据.     

碱性溶液中不同微观结构的Fe-N/C催化剂氧还原性能的稳定性对比研究（英文）

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要,但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系,本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂,该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe_3C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂,本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性,半波电势为0.86 V(vs RHE),质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE),极限电流密度为–4.3 mA·cm~(–2)。同时,电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE),说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe_3C纳米晶生长N-CNTs后,材料的导电性有所提高,并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe_3C纳米颗粒表面分布均匀,改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。     

碱性溶液中不同微观结构的Fe-N/C催化剂氧还原性能的稳定性对比研究

Fe-N/C催化剂在氧还原反应中的作用机理对于开发高效、可持续使用的非贵金属催化剂在聚合物电解质膜燃料电池中的应用至关重要, 但目前仍存在很多的难以攻克的问题。为了揭示纳米结构与电化学活性的关系, 本研究开发了一种具有高电化学活性的Fe-N/C氧还原催化剂, 该催化剂含有Fe-N_x位点和被氮掺杂的碳纳米管包裹的Fe/Fe₃C纳米晶体两种具有氧还原反应电化学活性的纳米结构。尽管不含贵金属铂, 本研究合成的Fe-N/C催化剂在碱性条件下仍显示出较高的ORR活性, 半波电势为0.86 V(vs RHE), 质量活性为18.84 A/g(0.77 V(vs RHE), 极限电流密度为-4.3 mA·cm ^-2。同时, 电子转移数为3.7(0.2 V(vs RHE), 说明Fe-N/C催化剂中4电子ORR反应的比例较高。石墨烯包覆的金属Fe/Fe₃C纳米晶生长N-CNTs后, 材料的导电性有所提高, 并且Fe-N_x活性位点在Fe/Fe₃C纳米颗粒表面分布均匀, 改善了材料的电化学活性。本研究为非贵金属氧还原电催化剂的继续深入研究以及广泛应用于商业化生产提供了一定的借鉴和依据。     

S/N共掺杂石墨烯的制备及其电催化性能

采用一步水热法制备了S/N共掺杂石墨烯催化剂材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱、红外光谱以及X射线衍射仪(XRD)对催化剂物理形貌、组成、物相等进行了分析,并利用电化学分析方法对催化剂的电催化性能进行了研究。通过不同的物理表征证明S和N成功地掺杂入石墨烯晶格,共掺杂石墨烯具有典型的石墨烯形貌。掺杂石墨烯的高电催化活性是源于对石墨烯进行S和N的掺杂后仍然具有高比表面积及石墨烯本身所特有的一些性质。该掺杂石墨烯在0.1 mol/L的KOH溶液中对氧进行催化还原时,无论是起始电位、半波电位、还是极限电流密度,都可与商业生产的贵金属催化剂相媲美,说明S/N共掺杂石墨烯在氧还原催化活性上可被用来替代当前所使用的贵金属催化剂。     

基于金属-有机框架的M-N/C类催化剂在氧还原反应中的应用

燃料电池阴极发生氧还原反应(ORR)的动力学过程缓慢，通常需要Pt/C作为催化剂降低反应过电位。然而Pt作为一种贵金属，其使用将极大增加燃料电池的生产成本，因此开发非贵金属催化剂来替代Pt/C催化剂具有重要意义。金属有机框架材料(MOFs)因其具有高比表面积、有序多孔结构、拓扑结构可调等特点作为前驱体被广泛应用于M-N/C类催化剂的合成。M-N/C类催化剂继承了MOFs的结构特征，且具有丰富的活性位点，提高催化活性和分级结构以促进传质过程，因此表现出良好的ORR催化性能。从单金属/氮/碳和多金属/氮/碳组成角度出发，对近几年来关于M-N/C类催化剂的结构设计思路和合成策略进行了总结，阐述了其在ORR中的催化性能，展望了其未来发展前景。     

缺陷调控石墨烯复合催化剂在氧还原反应中的作用

电化学氧还原反应(ORR)在能源、催化等领域具有广阔的应用前景, 因此开发性能优异、选择性高的催化剂对于促进ORR发展具有重要意义。ORR反应按照反应过程可以分为二电子反应过程和四电子反应过程。本研究以化学修饰石墨烯为原料, 通过调控其表面缺陷并与银-对苯二琨二甲烷(Ag-TCNQ)纳米点复合, 合成了不同缺陷程度的复合催化剂, 在此基础上比较了Ag-TCNQ/高缺陷石墨烯和Ag-TCNQ/低缺陷石墨烯的ORR性能。研究结果显示Ag-TCNQ/高缺陷石墨烯催化ORR的电子转移数为2.4, 双氧水产率达0.62 mg/h, 法拉第效率为64.45%。相比之下, Ag-TCNQ/低缺陷石墨烯参与ORR的电子转移数为3.7, 氧还原半波电位约为0.7 V(vs. RHE)。因此, 高缺陷催化剂促进ORR的二电子过程, 而低缺陷的催化剂促进ORR的四电子过程。在复合材料中, Ag-TCNQ纳米颗粒和石墨烯发挥了各自的结构优势, 形成复合效应, 共同提高了催化活性。     

形貌可控的铂类贵金属氧还原电催化剂研究进展

金属-空气电池是一类以金属燃料作为负极活性物质,空气中的氧气作为正极活性物质,正负极活性物质反应产生的化学能通过电化学反应而非燃烧反应转化成电能的环境友好型燃料电池。金属-空气电池的成功运行往往依赖于高效的空气电极,氧还原过程作为空气电极的主反应,还原过程中产生的高过电位严重制约着金属-空气电池的大规模应用。目前金属-空气电池阴极普遍使用昂贵的Pt/C氧还原催化剂材料来降低氧还原过程的高过电位,最大程度地减少电池电压以及输出功率的损失。氧还原催化剂材料的研究重点是寻找更高效、廉价的催化剂。目前常见的氧还原催化剂主要包含铂类贵金属、过渡金属氧化物和硫化物以及碳基非金属复合材料,其中铂类贵金属型氧还原催化剂凭借其优异的氧还原催化性能得到广泛关注。随着化学合成手段的不断发展,越来越多的异质结构铂类贵金属型氧还原催化剂被合成,基于各组分之间独特的协同作用,其往往表现出优于单一组分的催化性能,近几年对铂类贵金属型氧还原催化剂的研究主要集中在以下两个方面:(1)探究铂类贵金属催化剂表面元素组成及原子排布与其催化活性之间的关系,例如,研究纯铂纳米晶的晶面指数与其氧还原催化性能之间的关系;(2)设计特殊结构的铂类催化剂来达到优化氧还原催化剂催化活性和降低材料生产成本的目的,例如,在廉价核材料上通过异质外延生长的方式沉积铂壳层,可大大提升铂原子的催化效率。本文归纳了形貌可控的铂类贵金属氧还原催化剂的研究进展,分别对规则多面体型纯铂及铂类合金纳米晶,特殊结构铂类合金纳米晶氧还原催化剂进行了详细介绍。此外,为了更好地理解氧还原的催化机制,本文就氧还原过程的动力学与热力学原理进行了简单总结。由于铂类贵金属氧还原催化剂的形貌对其氧还原活性影响很大,为了更好地说明催化剂形貌的设计与合成原理,本文还补充说明了纳米晶体的生长机制。最后,简要总结了铂类贵金属型氧还原催化剂未来的研究重点。     

炭负载铁系元素催化剂在氧还原反应中的应用研究进展（英文）

金属-空气电池作为新兴的能源装置受到了人们的关注。氧还原反应(ORR)是金属-空气电池的关键电化学过程。由于氧还原反应缓慢的动力学速率和铂基ORR催化剂高昂的价格严重阻碍了金属-空气电池的规模化应用。铁系元素不但地球储量丰富而且具有多样的杂化轨道,将铁系元素引入到炭骨架中可以实现与铂相近的催化性能,非常有希望取代铂基催化剂成为商用ORR催化剂。本文根据活性位点的分类,对铁系元素基炭催化剂在ORR中的应用进行了综述,并系统总结了各中活性位点在ORR过程中的作用机理。本文在系统论述炭负载铁系元素催化剂结构和性能间构效关系的基础上,充分认识铁系元素在ORR中的作用,为今后设计具有高效ORR催化性能的廉价催化剂提供技术支撑和理论指导。     

用于电催化氧还原制备双氧水的催化剂的研究进展

H2 O2及其水溶液双氧水具有强氧化性,被广泛应用于造纸、污水处理和消毒等方面.全球对H2 O2的需求量与日俱增,但传统的蒽醌法工艺复杂、成本高、效率低,氢氧直接合成法又存在很大的安全隐患.因此,电催化氧还原这种新型、绿色且安全的原位合成H2 O2方法近年来受到广泛关注.氧还原反应(ORR)是多电子反应,中间体复杂且难以测量,机理研究困难.ORR存在两种竞争的反应路径,两电子路径得到H2 O2,而四电子路径生成H2O.两电子氧还原反应(2e-ORR)的反应效率取决于催化剂的活性、选择性和稳定性.目前贵金属基催化剂(如Au、Pd)对2e-ORR显示出较好的催化性能,但昂贵、稀缺的特性限制了它们的广泛应用.当前关于电催化氧还原制备H2 O2所用催化剂的研究主要集中于三方面:(1)减少贵金属的负载.将惰性金属与活性金属相结合,得到了许多性能优异的合金材料,如Pt-Hg等.(2)发展非贵金属催化剂.碳基催化剂的缺陷、表面氧官能团(C=O、C-O等)、杂原子掺杂(N-、S-等)和过渡金属掺杂(Co、Fe等)都能够提高H2O2的选择性与催化活性.(3)发展非贵金属复合催化剂.非贵金属复合物催化剂(如MnO2/C、CoS2/C)可促进电子转移,提高H2 O2的选择性.本文系统介绍了2e-ORR的机理及测试方法,简要总结了近年来用于2e-ORR制H2 O2的贵金属基催化剂、碳基催化剂和非贵金属复合催化剂的研究进展,并在此基础上对电催化氧还原制双氧水未来的研究方向进行了展望.     

多孔金属材料制备方法

本文概述了多孔金属材料的典型和特点，着重介绍了该材料的各种制备方法，以期提供一些优化组合生产工艺的线索。     

金属层状复合材料的研究状况与展望

回顾了金属层状复合材料在工艺、机制方面的研究现状,分析了存在的问题,并对今后的研究进行了展望。     

一种新型多孔泡沫钨的制备

介绍了一种类网状结构的多孔态泡沫钨及其制备方法。该泡沫钨材料的孔隙分两类:(1)是构成类网状结构且孔径为0.2～1.0mm的主孔;(2)是存在于主孔孔壁和孔棱之上且孔径在几个微米量级的微孔。主孔呈通孔和半通孔结构,并且两类孔隙相互连通,总孔率高于50%。该泡沫钨的制备方法是以有机泡沫材料为基体,采用浸浆干燥烧结法制备而成。其中料浆由钨粉和无毒性有机黏结剂组成,黏度用去离子水调节。     

多孔泡沫镁合金的研究进展

多孔泡沫镁是用特殊方法制成的具有多孔结构的新型金属材料,由于其特殊的结构和性能,在能源、建筑、交通、航空等领域有着广泛的应用前景。本文就多孔泡沫镁合金制备工艺的研究进展进行了介绍,同时对它的发展前景进行了分析。     

Metal–Organic Framework‐Derived Materials for Sodium Energy Storage

Recently, sodium‐ion batteries (SIBs) are extensively explored and are regarded as one of the most promising alternatives to lithium‐ion batteries for electrochemical energy conversion and storage, owing to the abundant raw material resources, low cost, and similar electrochemical behavior of elemental sodium compared to lithium. Metal–organic frameworks (MOFs) have attracted enormous attention due to their high surface areas, tunable structures, and diverse applications in drug delivery, gas storage, and catalysis. Recently, there has been an escalating interest in exploiting MOF‐derived materials as anodes for sodium energy storage due to their fast mass transport resulting from their highly porous structures and relatively simple preparation methods originating from in situ thermal treatment processes. In this Review, the recent progress of the sodium‐ion storage performances of MOF‐derived materials, including MOF‐derived porous carbons, metal oxides, metal oxide/carbon nanocomposites, and other materials (e.g., metal phosphides, metal sulfides, and metal selenides), as SIB anodes is systematically and completely presented and discussed. Moreover, the current challenges and perspectives of MOF‐derived materials in electrochemical energy storage are discussed.     

非晶合金泡沫材料的研究进展

非晶合金泡沫是结合金属泡沫与非晶合金两者优点而发展起来的一类新型结构材料。作为轻质与强韧的完美统一,非晶合金泡沫材料近年来受到国内外学者越来越多的关注。本文简要综述了非晶合金泡沫的发展、制备以及力学性能的研究进展,提出当前工作中存在的问题,并就本领域今后值得关注的问题进行展望。     

Thermally Stable Metal‐Organic Framework‐Templated Synthesis of Hierarchically Porous Metal Sulfides: Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production

Porous nanostructured materials are demonstrated to be very promising in catalysis due to their well accessible active sites. Thermally stable metal‐organic frameworks (MOFs) as hard templates are successfully utilized to afford porous metal oxides and subsequently metal sulfides by a nanocasting method. The resultant metal oxides/sulfides show considerable Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface areas, by partially inheriting the pore character of MOF templates. Preliminary investigation on the obtained hierarchically porous CdS for water splitting, as a proof of concept, demonstrates its much higher activity than both corresponding bulk and nanosized counterparts, under visible light irradiation. Given the structural diversity and tailorability of MOFs, such synthetic approach may open an avenue to the synthesis of advanced porous materials for functional applications.     

Metal Phosphides and Phosphates‐based Electrodes for Electrochemical Supercapacitors

Phosphorus compounds, such as metal phosphides and phosphates have shown excellent performances and great potential in electrochemical energy storage, which are demonstrated by research works published in recent years. Some of these metal phosphides and phosphates and their hybrids compare favorably with transition metal oxides/hydroxides, which have been studied extensively as a class of electrode materials for supercapacitor applications, where they have limitations in terms of electrical and ion conductivity and device stability. To be specific, metal phosphides have both metalloid characteristics and good electric conductivity. For metal phosphates, the open‐framework structures with large channels and cavities endow them with good ion conductivity and charge storage capacity. In this review, we present the recent progress on metal phosphides and phosphates, by focusing on their advantages/disadvantages and potential applications as a new class of electrode materials in supercapacitors. The synthesis methods to prepare these metal phosphides/phosphates are looked into, together with the scientific insights involved, as they strongly affect the electrochemical energy storage performance. Particular attentions are paid to those hybrid‐type materials, where strong synergistic effects exist. In the summary, the future perspectives and challenges for the metal phosphides, phosphates and hybrid‐types are proposed and discussed.     

Integration of Metal–Organic Frameworks and Metals: Synergy for Electrocatalysis

Electrocatalysis is a highly promising technology widely used in clean energy conversion. There is a continuing need to develop advanced electrocatalysts to catalyze the critical electrochemical reactions. Integrating metal active species, including various metal nanostructures (NSs) and atomically dispersed metal sites (ADMSs), into metal–organic frameworks (MOFs) leads to the formation of promising heterogeneous electrocatalysts that take advantage of both components. Among them, MOFs can provide support and protection for the active sites on guest metals, and the resulting host-guest interactions can synergistically enhance the electrocatalytic performance. In this review, three key concerns on MOF-metal heterogeneous electrocatalysts regarding the catalytic sites, conductivity, and catalytic stability are first presented. Then, rational integration strategies of MOFs and metals, including the integration of metal NSs via surface anchoring, space confining, and MOF coating, as well as the integration of ADMSs either with the metal nodes/linkers or within the pores of MOFs, along with their recent progress on synergistic cooperation for specific electrochemical reactions are summarized. Finally, current challenges and possible solutions in applying these increasingly concerned electrocatalysts are also provided.