共价有机框架材料(COFs)在氧电极电催化中的研究进展

在碳达峰、碳中和的目标之下,燃料电池、金属-空气电池、电解水等清洁能源技术提高了能源利用率,在未来将成为新的能源消费方式.氧还原反应(ORR)、氧析出反应(OER)因其缓慢的动力学过程而导致此类清洁能源技术的发展受到阻碍.贵金属催化剂虽被认为是最高效的催化剂,但其成本高、稳定性低,寻找非贵金属催化剂已成为相关研究的趋势.共价有机框架材料(COFs)作为一类新兴的材料,由有机单体通过特殊的共价键连接而成,因其具有可调控的结构、低密度、高稳定性、较大比表面积等独特的优点,通过合理的设计策略,将其应用于电催化剂的研究在近年来逐步兴起.本文回顾了近期适用于ORR、OER及ORR/OER双功能电催化的二维COFs(2D COFs)材料,主要介绍了以纯COFs作为电催化剂、COFs与其他材料形成复合结构、COFs热解碳化等策略制备高效电催化剂,并从分子设计及电子调控等层面上梳理了上述策略对电催化活性中心的形成或电催化活性提升的原因,对当前存在的问题提出总结,以期在今后的研究中起到一定借鉴意义.     

Research progress of two-dimensional transition metal carbides and carbonitrides materials for fuel-cell catalysts

MXene是一类新型二维层状过渡金属碳化物或碳氮化物,一般通过化学刻蚀的方法制得,因具有良好的导电性、亲水性、透光性、柔韧性,在催化、能量储存、复合材料、传感器、抗菌等领域有潜在的应用前景。本文简要介绍了MXene的制备方法、结构、稳定性及电子性质,总结了其在燃料电池领域的应用研究成果,重点介绍了MXene作为Pt催化剂载体,在氧还原反应中的活性和稳定性表现,最后提出了MXene作为催化剂载体及以后在燃料电池中应用存在的问题和挑战。     

电化学氧还原反应合成H2O2碳基催化剂研究进展

电化学氧还原反应(ORR)合成H2O2是一种低成本、无污染的绿色合成方法.但是,ORR动力学缓慢,存在四电子ORR生成H2O的竞争反应,因此需要使用催化剂提升ORR的反应活性以及二电子ORR的选择性.近年来,碳基材料因价格便宜、来源广泛、调控方法多样,被广泛应用于该领域.本文首先简要介绍了电催化ORR合成H2O2的机理,并根据机理分析了影响电化学合成H2O2催化性能的关键因素.接着阐述了提升碳基ORR催化剂活性与二电子选择性的策略,并着重介绍了非金属原子掺杂碳材料和过渡金属氮碳材料.最后,总结了碳基催化剂在电化学合成H2O2中存在的问题和面临的挑战,对碳基催化剂在电合成H2O2中应用的发展趋势进行了展望.     

沸石咪唑基金属有机框架及其衍生材料用作锌-空气电池高效阴极催化剂的最新进展北大核心CSCD

清洁和可持续能源的大量应用和电动汽车行业的快速发展,为先进的储能/转换技术和设备带来了前所未有的机遇。可充电式锌-空气电池(ZAB)拥有的能量密度高、环境友好、安全性能高、成本低等优势,被广泛认为是最有前景的金属-空气电池之一。更重要的是,锌-空气电池所使用的锌资源丰富、价格便宜、能量密度适中以及还原潜力高。但由于在充电过程中空气阴极上氧还原反应的动力学过程十分缓慢,使得空气电池产生了相对大的超电势,也导致了ZAB无法实现商品化应用。沸石咪唑基金属有机框架(ZIFs)衍生的催化剂具有显著促进氧反应的能力。本文回顾了ZIFs衍生材料的最新进展,该材料可用作ZAB中的阴极催化剂。本文总结了一些主要的ZIFS衍生物材料在ZAB中的应用,包括了ZIFS衍生物的金属氮化物催化剂、ZIFs衍生物的金属氧化物催化剂、ZIFs衍生物的S/P/B掺杂催化剂和ZIFs衍生物的非金属碳催化剂等,还论述了这些ZIFs衍生物催化剂的结构特点。最后,阐明了研发用于ZAB的先进ZIFs衍生催化剂面临的挑战和一些观点。     

实用大容量三电极方形锌空气电池

锌空气电池具有高安全、大容量、低成本和低自放电等特性,因此获得广泛关注.可充电式锌空气电池在商业化过程中最重要的问题在于难以找到合适的双功能催化剂同时长时间实现氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER),而三电极电池结构是一个有效解决此问题的方案.另外,大容量方形锌空气电池在商品化过程中的耐漏液性能极其重要.本文报道了一...     

双金属Ni-Co基析氧反应电催化剂研究进展

  目的  能源消耗的持续增长和化石燃料燃烧带来的环保和能源安全问题已经引起世界各国的广泛关注。因此,发展清洁能源生产技术已成为世界范围内的主要研究重点。氢能具有无污染、比能密度高、资源丰富等特点,是最具潜力的传统化石燃料替代品之一。电催化分解水被认为是最有希望的制氢方法,但阳极上的析氧反应动力学缓慢,能量转换效率低,是大规模制氢的主要瓶颈。与稀有和昂贵的贵金属催化剂相比,镍-钴（Ni-Co）基电催化剂由于具有可调的电子结构、高导电性和低成本优势,有望在碱性溶液中实现卓越的OER活性和耐久性。  方法  文章总结并讨论了在OER中Ni-Co基电催化剂的最新研究发展。重点讨论了Ni-Co基电催化剂的设计和合成,以及在OER过程中提高其电催化性能的研究策略。  结果  为了代替钌、铱等贵金属催化剂,研究者们对Ni-Co基非贵金属催化剂进行了大量研究。包括氧化物、氢氧化物、合金、氮化物、硫化物、磷化物等在内的多种Ni-Co基催化剂通过化学结构的调控,从阳极角度提高了电催化制氢的活性。但这些催化剂又分别面临不同的缺陷,有待进一步研究克服。  结论  开发具有高OER活性的非贵金属催化剂是降低电解水制氢成本,促进氢能产业发展的重要途径。虽然仍有一些技术问题尚未解决限制了Ni-Co基催化剂替代贵金属催化剂,但作为重要的贵金属催化剂替代品,Ni-Co基催化剂的研究为新型催化剂的开发提供了重要选择。     

MXenes系储能材料的先进制备手段与储能机制综述北大核心CSCD

二维层状过渡金属碳化物(氮化物)MXenes以其独特的物理和化学性能成为新型储能器件电极材料的重要候选材料,目前研究最广泛的MXenes材料为美国Drexel大学Gogotsi课题组于2011年以MAX相陶瓷材料Ti_(3)AlC_(2)为前驱体制备的Ti_(3)C_(2)T_(x)。结合本课题组对Ti_(3)C_(2)T_(x)/SnO_(2)复合材料储锂性能的探索,本文综述了近年来二维与三维MXenes作为储能材料的新型制备手段,分析了三维MXenes及复合体系的储能优势,然后总结了目前比较主流的MXenes能量存储机制。大量资料表明:目前主要以HF或者LiF+HCl作为刻蚀剂,制备手风琴结构或类黏土结构的二维MXenes,采用不同改性手段减少二维MXenes纳米片重复堆积、形成良好对齐的交替排列结构是提高其电化学性能的有效策略;而制备三维体系的MXenes及复合材料则主要使用模板法,此类结构除了可抑制纳米片叠合之外,还有丰富的通道,有利于电解质的快速扩散与载流子的快速传输,再加上MXenes优异的电导率(约10^(5) S/cm)、低的锂离子扩散能垒以及独特的金属离子吸附特性,使其能够成为理想的活性材料或电极。最后,本文对MXenes系储能材料的未来机遇和挑战进行了简要的展望。     

TiO2纳米纺锤体负载Pt在氧还原反应中的应用

燃料电池中催化剂的稳定性是影响其实际应用的关键问题之一。本研究合成了锐钛矿型纺锤状TiO₂纳米材料,并负载纳米Pt制备了TiO₂-Pt双组分复合催化材料。将其制作成电极材料后,进行了TEM、XRD、拉曼光谱、电化学特性分析。结果表明：TiO₂-Pt材料中Pt纳米颗粒的TEM形貌与TiO₂的表面亲和力有关;该双组分催化剂呈现出两个单独的氧还原反应（ORR）峰;在负载Pt后,材料电荷传输电阻明显减小,使得TiO₂-Pt中TiO₂纺锤体组分上的ORR性能明显增强;紫外光可同时促进TiO₂-Pt中两组分的ORR性能;TiO₂-Pt比炭黑负载Pt具有更好的稳定性。     

直接甲醇燃料电池所用催化剂和膜电极工艺研究进展

直接甲醇燃料电池由于其高效的能量转化效率、清洁环保、体积小、重量轻、可低温快速启动等优点,在未来将得到广泛应用.介绍了直接甲醇燃料电池工作原理及核心部件的相关研究进展,包括阳极催化剂、阴极催化剂和膜电极工艺.阐述了电极催化剂的工作原理,并按负载的活性金属组分的不同,对电极催化剂进行分类总结.阳极贵金属基催化剂中,Pt分别与Ru、Co、Fe、Ni的合金催化剂表现出比纯Pt催化剂更优越的性能.阴极贵金属基催化剂中,Pt-Fe体系催化效果较好.研究分析表明,贵金属基合金纳米结构均匀分散与载体上,产生更高的电化学活性表面积和更低的电荷转移电阻,催化剂稳定性与催化活性较大提高.非贵金属基催化剂则是以氧化物及过渡金属为代表取代Pt,展现较好性能,但还存在催化效率不足的问题.膜电极工艺流程较为成熟固定,活化工艺及质子交换膜有待深入研究.     

二维碳载Au4Pd2催化剂的构建及其电催化性能

贵金属纳米团簇由于精确的结构和明确的化学组成而受到广泛的关注.该工作采用具有精准的颗粒大小和精确的结构双金属金属纳米团簇,研究其电子结构、几何结构对催化反应的影响,同时利用杂原子与主原子间的强电子耦合作用调控催化性能.首先制备4个金原子与2个钯原子组成的金钯纳米团簇,并分散至二维材料上得到单团簇分散的金钯基纳米复合材料催化剂;通过XPS测试可知,AuPd与载体之间存在较强的协同作用,有助于促进其氧还原(ORR)与析氢反应(HER)的稳定性;调节贵金属比例得到最佳比例的金钯催化剂,在0.1 mol/L KOH氧饱和电解液中,起始电位为0.95 V,半波电位为0.81 V,其ORR性能优于商业Pd/C.该催化剂也具有良好的HER性能,在0.5 mol/L H2SO4电解液中,电流密度为10 mA/cm2下的过电位为129 mV;利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)对催化剂结构进行表征分析,解释其结构与性能间的联系.优化贵金属团簇掺杂比例得到具有优异氧还原与析氢性能的双功能催化剂,为高效稳定的电催化剂的开发提供了新方向.