燃料电池阴极氧还原非铂类催化剂研究进展

燃料电池是一种能将化学能直接转化为电能的装置,具有对环境友好,能量转化率高等优点。目前,燃料电池主要以铂基催化剂为主,但铂价格昂贵,储量有限,易中毒,其商业化应用受到限制,因此开发低廉高效、来源广泛的非贵金属阴极氧还原催化剂成为研究热点。介绍了燃料电池阴极氧还原非铂类催化剂研究进展。     

金属-空气电池氧还原反应催化剂研究进展

氧还原电极催化剂是金属空气电池的关键电极材料,综述了金属-空气电池氧还原电极催化剂的研究进展,包括贵金属及其合金、过渡金属氧化物以及过渡金属有机大环化合物等催化剂.过渡金属氧化物因价格低廉、性能优良而具有广阔的应用前景.通过对各种氧还原反应催化剂性能进行比较,认为未来金属-空气电池发展的关键在于寻求更高性价比的氧还原反应催化剂.     

用于氧还原反应的PtNi合金催化剂研究进展

氧还原反应是质子交换膜燃料电池阴极催化反应的关键步骤。氧还原活性趋势图(火山图)中,贵金属Pt超高的催化性能显而易见,因此目前氧还原性能最佳的商业化催化剂仍然是碳载铂(Pt/C)。另一方面,Pt昂贵的价格也促使国内外研究者尝试开发Pt合金催化剂、非Pt催化剂等新型催化剂。在开发低Pt催化剂过程中,通过添加过渡金属来改变d带中心是较普遍的解决方案。研究者发现PtNi/C催化剂的氧还原性能远超商业化Pt/C催化剂,但催化剂中的过渡金属Ni在酸性条件下易溶解,从而破坏反应环境,导致稳定性较差。当前针对该问题的研究主要聚焦于调节催化剂晶面、表面应变以及组成结构,通过改变这些因素试图提高催化剂的电化学活性和耐久性。其中,由Pt₃Ni(111)面封闭形成的八面体纳米颗粒已经被认为是很有前途的氧还原反应电催化剂,成为了PtNi双金属催化剂中的研究热点。此外,对合金表面进行其他金属/非金属元素修饰,改善催化剂载体性质,也可以实现催化剂氧还原性能的提高。本文综述了近些年用于氧还原反应的Pt-Ni基催化剂的研究现状,主要包括通过催化剂形貌调控来控制暴露晶面、对催化剂进行表面修饰,以及...     

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。     

氮硫共掺杂碳材料均匀担载核壳纳米颗粒Co@Co9S8作为氧还原催化剂的研究

开发高效、稳定的非贵金属氧还原(ORR)催化剂是促进燃料电池商业化进程的关键。通过树脂衍生N、S共掺杂碳材料负载原位生成的Co@Co₉S₈核壳结构纳米颗粒,制备出一种具有良好活性和稳定的非贵金属催化剂Co@Co₉S₈/NSC。电化学测试结果表明：Co@Co₉S₈/NSC催化剂的半波电位(E_1/2)和极限电流密度可与商业Pt/C催化剂相媲美。同时相较商业Pt/C催化剂,其还具有极好的抗甲醇活性。此外,计时电流测试表明：持续老化10000s后,Co@Co₉S₈/NSC的电流密度保持了初始值的97.5%,远低于商业Pt/C催化剂的23.3%。为构建高活性高稳定性核壳结构ORR催化剂提供了新的思路,同时其思路也可以应用于其他新能源电极材料如Li-空气电池、Li-S电池及超级电容器等。     

一种新型的Fe-N/C氧还原反应电催化剂的制备及其性能研究

铂用作阴极氧化还原反应(ORR)的催化剂因其资源匮乏,价格昂贵,使得成本过于昂贵,从而阻碍了聚合物电解质燃料电池的广泛使用。降低贵金属催化剂用量,寻求廉价催化剂,提高电极催化剂性能成为电极催化剂研究的主要目标。以聚苯胺作为碳氮模板,负载非贵重金属铁元素,在高温氢气气氛下热处理,制备了一种新型的Fe-N/C催化剂,并利用FT-IR和XPS对该催化剂进行了结构表征。同时电化学测试结果显示,该催化剂在酸性、中性及碱性介质中催化氧气还原,起始电位分别为0.707V、0.203V、-0.012V,其催化性能接近于铂基催化剂,且具有良好的稳定性,有望成为铂基催化剂的最有前景的替代品。     

氮化钛在燃料电池氧还原反应中的研究进展

随着世界能源需求总量的持续增长,新型能源的转换利用与存储成为目前科学研究的热点问题。燃料电池作为最具前景的能源转换技术之一,因其能量转化效率高、环境友好、能量密度高、燃料范围广等独特优势受到来自学术界和产业界的广泛关注。氧还原反应(ORR)是燃料电池阴极重要的电极反应,然而其动力学过程缓慢、高度依赖于贵金属铂、长时间运行后催化性能和耐久性急剧退化,现已严重制约燃料电池商业化的大规模推广和应用。因此,研发低成本、高活性和高稳定性的催化剂对推动燃料电池商业化具有重要意义。氮化钛(TiN)材料因具有良好导电性、高熔点、高硬度及耐磨耐酸碱腐蚀等优异特性,在开发高度耐用的催化剂载体领域极具应用前景。具有良好形貌、大比表面积和纳米结构的先进TiN材料作为催化剂载体时,可通过提高贵金属铂利用率、增强金属-载体间相互作用、促进质量/电荷转移以及增强耐腐蚀性,从而实现铂基催化剂电催化活性显著提高。此外,TiN还具有类似贵金属的电子属性,自身对ORR表现出活跃的催化性能和良好的稳定性,在ORR非贵金属催化剂研究中备受青睐。因此,本文综述了具有良好形貌结构特征的TiN材料的制备方法及合成机制,阐述TiN、过...     

氮掺杂碳纳米片负载Fe-Co-Pt复合材料的制备及其氧还原电活性

制备高活性和高稳定性的电催化剂复合材料一直是燃料电池与金属-空气电池的重要研究内容.以双氰胺作为碳氮源,通过酞菁钴和二茂铁提供金属纳米颗粒,对其混合物进行简单的高温热解得到负载铁钴合金的氮掺杂碳纳米片(Fe1-Co1-N/C);最后利用沉积法将少量铂引入到Fe1-Co1-N/C上,得到负载铂铁钴三金属合金的氮掺杂碳纳米...     

金属掺杂聚吡咯碳化物PPY-M的制备及其氧还原反应电催化活性

在Fe³⁺或Co²⁺存在下进行吡咯的聚合反应, 得到金属离子掺杂的聚吡咯, 并在N₂气氛下700℃碳化, 再将该碳化产物在900℃焙烧得到含有不同金属的复合催化剂PPY-M(M为不同的金属)。采用SEM、XRD等对催化剂的结构进行了表征。通过循环伏安和线性电位扫描等电化学手段, 研究了催化剂对氧还原(ORR)的电催化活性及其稳定性。结果表明, 掺杂金属钴的催化剂的活性最好, 在酸性溶液中ORR的起始电位达到0.54 V(vs SCE),电流密度为7.5 mA/mg@-0.3 V(vs SCE); 在碱性溶液中ORR的起始电位为-0.11 V(vs SCE),电流密度为5.7 mA/mg@-0.8 V。Fe或Co掺杂的聚吡咯碳化物对ORR具有较强的电催化活性, 而且制备过程简单、成本低, 有较重要的研究意义。     

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。     

PtMo合金催化剂氧还原反应催化性能研究

采用乙二醇还原法和后续的热处理工艺制备了Pt-Mo合金催化剂。使用透射电子显微镜、X射线衍射、电感耦合等离子体发射光谱、X射线光电子能谱等方法对样品进行了形貌、结构和组分的表征。通过电化学测试方法,探究了不同催化剂的电催化活性和稳定性。结果表明：合适的热处理温度不仅提高了Pt-Mo纳米颗粒的合金化程度,而且改变了催化剂颗粒表面的电子结构和成分。所以,经过400℃热处理的PtMo/C-400催化剂表现出较好的氧还原性能,其电催化活性和稳定性均与商业J01-Pt/C催化剂相当。     

Co-MOF衍生Co-N-C催化剂的制备及其氧还原性能研究

金属-氮-碳(M-N-C)化合物作为非贵金属催化剂具有优异的氧还原(ORR)性能,在燃料电池和金属-空气电池等电化学能源转化方面展现了广阔的应用前景.开发出能够与贵金属铂催化剂相媲美的高效且廉价的催化剂以解决ORR缓慢动力学问题具有重要意义.选用金属有机骨架材料ZIF-67作为碳源和氮源,其中,二价钴离子、2-甲基咪唑...     

ZIFs材料对Fe/N/C催化剂氧还原性能的影响

过渡金属/氮/碳(M/N/C)催化剂是替代铂基催化剂用于氧还原反应(ORR)的理想材料。沸石咪唑骨架(ZIFs)材料结合了无机沸石的高稳定性和MOFs材料的高比表面积、高孔隙率及可调孔结构等特点,是制备M/N/C催化剂的优良前驱体。本工作以FeSO₄·7H₂O为铁源,1,10-菲啰啉为氮源,探究不同ZIFs材料对FeN/C-Z_x催化剂ORR性能的影响。通过X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜等对催化剂进行结构表征,使用线性扫描伏安法对催化剂ORR催化活性进行测试。结果表明：FeN/C-Z₈催化剂表现出最佳的ORR活性,具有较小的Tafel斜率(64.98 mV/dec)且反应过程是近四电子过程;在经过25 000次循环后,FeN/C-Z₈催化剂的半波电位仅有20 mV的负移,表现出良好的稳定性。FeN/C-Z₈催化剂中存在的Fe₃C化合物可有效提高催化剂的催化性能;Zn²⁺在碳化过程中挥发使FeN/...     

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。     

纤维状多孔钙锰氧化物制备及其氧还原反应电催化活性

首次以海藻酸钙纤维为载体制得层状-钙钛矿结构的Ca₂MnO₄钙锰氧化物(Ca-Mn-O), 并以尖晶石结构的CaMn₃O₆为对比样, 测试了样品作为电化学氧还原催化剂(ORR)的性能。通过XRD、FE-SEM、TEM和BET对材料进行表征, 结果表明该层状-钙钛矿结构的氧化物具有内部相互交联的多孔网状结构和大的比表面积。电催化测试结果表明: Ca₂MnO₄氧化物具有明显的催化活性, 高的极限扩散电流密度、接近四电子氧化还原以及在碱性溶液中较低产率的过氧化氢, 说明这种廉价而丰富的ORR催化剂具有潜在的应用前景。Ca-Mn-O氧化物的催化活性(初始还原电位、极限电流密度以及电子转移数)很大程度依赖于表面Mn的氧化态和晶体结构。此外, 大的比表面积和多孔网状结构, 增多了氧还原反应的电催化活性位; 高的氧空位浓度有利于氧还原反应的进行; 合适的晶体结构具有开放的空间, 有利于氧的吸附。     

炭负载铁系元素催化剂在氧还原反应中的应用研究进展

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...     

石墨烯负载四硫化三钴复合物氧还原催化剂的制备与性能

选取二氯化钴和硫脲为钴源和硫源,以自制的还原氧化石墨烯(rGO)为载体,采用回流法在乙二醇溶剂中一步合成出Co₃S₄/rGO复合物。利用X射线衍射、扫描电镜和拉曼光谱(Raman)等手段对催化剂进行结构与形貌表征。结果表明:Co₃S₄/rGO样品中生成了具有立方结构的Co₃S₄细小晶粒,生长在rGO上的Co₃S₄晶粒发生聚集,具有较好的分散性。Co₃S₄/rGO的拉曼谱图的峰强比(I_D/I_G)为0.92,Co₃S₄对石墨烯结构无明显影响,石墨烯起到载体作用。在0.5mol/L H₂SO_4电解液中,线扫伏安测试表明,Co₃S₄/rGO催化剂具有良好的氧还原催化性能,氧还原起始电位为0.75V(vs.RHE),在动力学电位区,Tafel斜率和传递系数分别为119.5mV和0.49,氧分子在Co₃S₄/rGO催化剂上按四电子机理直接还原成水。     

基于电催化析氧反应的硫化物催化剂研究进展

氢能作为一种可燃烧的新型能源,凭借其清洁无污染等优点,被认为是人类从根本上解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢气的重要方法之一,也是现代清洁能源技术的重要组成部分.随着实际需求的不断增长,如何利用高效低耗的电催化剂来提升反应速率,已经成为当前新能源领域的研究重点之一.电解水反应由阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)两个半反应组成,其中HER反应相对容易进行;而相比于HER反应,OER反应动力学缓慢,是影响电解水效率的主要原因.为了提高电解水制氢的能量转化效率,高效OER电催化剂成为研究电解水制氢技术的关键因素.过渡金属催化剂由于其特殊的d轨道结构和在地球上丰富的储备量成为OER催化剂研究领域的热点,但是目前存在的主要问题是,与贵金属催化剂相比,过渡金属催化剂的催化活性较差.因此,发展一些高催化活性和高效稳定的电催化剂,成为该领域研究关注的重点.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物和硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量研究并取得了长足的发展.在这些催化剂中,硫化物型电催化剂不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性等方面正在接近甚至超越RuO2和IrO2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文主要介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,从硫化物型OER电催化剂的物理化学性质入手,证实了硫化物型OER电催化剂在析氧反应中具有独特的优势,最后综述了有关硫化物型OER电催化剂在改进策略等方面的研究进展.     

用于氧还原反应的碳基负载金属单原子催化剂研究进展

燃料电池能够将化学能转化为电能,是一种绿色高效的能量转换装置,但是受到阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓的限制,燃料电池需要使用Pt等贵金属作为催化剂,这就导致其成本显著增加.碳基负载单原子催化剂(C-SACs)展现出高原子利用率和高选择性等优异性能.另外,C-SACs在不同pH环境下都显示出优异的ORR催化活性,被视...