络合物法制备镍-氮共掺杂炭基二氧化碳电催化剂

过渡金属-氮共掺杂炭基催化剂广泛应用于电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）。为解决催化剂存在的催化活性及选择性问题,以乙二胺与硝酸镍发生配位反应形成的三乙二胺合镍小分子络合物作为氮源和镍源,分别以亲水氧化石墨烯及疏水炭黑为载体,得到两类镍-氮共掺杂多孔炭基催化剂。通过X射线衍射及透射电镜等手段分析了镍物种在不同处理阶段的存在形式。CO₂RR性能测试表明,同一炭载体具有不同金属负载量的催化剂经过酸洗处理除去镍纳米颗粒后,一氧化碳分电流密度得到明显提升,表明原子级分散的镍物种是CO₂RR的活性位点。在-0.8 V（vs.RHE）,不同催化剂的一氧化碳法拉第效率均达到90%。与亲水炭材料作为载体相比,疏水炭材料为载体制备的催化剂一氧化碳分电流密度更高,这表明疏水炭载体有利于过渡金属络合物在载体骨架中的负载与分散,进而抑制后续处理过程中活性物质的损失,从而获得高活性的镍-氮共掺杂炭基电催化剂。     

生物质炭基材料在有机催化转化中的应用

近年来,生物质因具有富碳可再生、储量丰富、环境友好、价格低廉等特点被作为原料广泛应用于制备生物质炭基材料。本文综述了以生物质为原料衍生炭基材料作为催化剂在有机转化反应中的相关研究进展,重点介绍了杂原子掺杂、金属杂化策略所制备炭基催化材料在液相催化加氢、氧化、偶联等有机转化反应中的催化性能,进而阐明了炭基催化剂与催化活性之间的构效关系。最后,本文总结了生物质炭基催化剂在有机催化反应中的优势,指出了目前生物质衍生炭基催化剂材料合成和有机转化研究领域面临的挑战,并对此领域的未来发展趋势进行了分析与展望。     

炭基催化剂应用于热转化过程的研究进展

生物炭具有环境友好、来源广泛、成本低廉等优点,作为催化剂及催化剂载体被广泛应用于热转化过程,但存在易结焦失活、产物定向调控机理尚不明确等问题。对生物质炭基催化剂应用于热转化过程的研究进行了综述,介绍了生物质炭基催化剂制备、改性(杂原子掺杂和金属负载)方案的研究现状。从常规催化热解、微波辅助热解、焦油脱除、酯化合成运输燃料和水热液化5个方面对炭基催化剂的应用进行讨论,并指出探索催化剂深层次的催化机理以及构建具有多级孔隙结构的炭基催化剂以定向生产高值化学品是未来的研究方向。     

氮磷共掺杂生物质多孔碳材料的制备及其氧还原性能研究

将槟榔原料与一定量的磷酸氢二铵均匀混合，在氮气气氛下制备氮磷共掺杂生物质炭，再与KOH二次煅烧生成孔隙结构发达的杂原子掺杂多孔碳。电化学测试结果表明，杂原子掺杂碳催化剂材料的ORR(氧还原)活性良好，具有优异的稳定性和抗中毒特性。组装的锌-空气电池的测试结果显示，无金属催化剂可与商业20%Pt/C催化剂性能相媲美，表明以生物质为基础的氮磷共掺杂活性炭是一种很有商业价值的氧还原催化剂材料。     

N/B/Fe共掺杂生物质炭阴极制备及电芬顿降解对硝基酚

以玉米芯为主要原料,采用热沉积、高温焙烧法,制备N/B/Fe共掺杂生物质炭（N/B/Fe@BC）,通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）等手段对样品的晶格结构、形貌特征和组成等进行表征,并以对硝基酚为对象,探究N/B/Fe@BC电极的电芬顿催化性能。结果表明,N/B/Fe@BC为纳米薄片交错堆积的三维多孔结构,表面缺陷较未掺杂生物质炭显著增加,催化氧还原以两电子产H₂O₂为主。在电流强度50mA、初始pH为3的电芬顿体系中,120min时对硝基酚的去除率为97.93%±1.62%,60min内反应速率常数k为0.040min^-1,是未掺杂生物质炭电极的2.7倍。N/B/Fe@BC电极的pH适用范围较宽,受水质的影响较小,循环使用10次后120min对硝基酚的去除率仍可达到85%以上。     

光化学法制备过渡金属-氮共掺杂多孔炭基CO2电还原催化剂

过渡金属-氮共掺杂炭材料是一类高效的CO₂电还原催化剂。以热解聚合物制备的氮掺杂炭材料为载体,浸渍镍源,经红外灯光照2 h,利用光化学法制备了高分散的镍-氮-碳催化剂（Ni/NC）。采用扫描电镜（SEM）、物理吸附、粉末X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等手段对催化剂的形貌、结构、物相和组成进行了分析,并评价了催化剂的CO₂电还原反应性能。电化学性能测试结果表明,在0.5 mol/L的KHCO₃电解液中,镍的负载量为2 %（质量分数）时催化性能最好,CO分电流密度得到有效提升,塔菲尔斜率为492 mV/dec,起始过电位为286 mV;在-0.6 V（vs.RHE）下,CO的法拉第效率为78%,在-1.0 ~-0.5 V（vs.RHE）内,n（CO）/n（H₂）=0.5~3.6。     

纳米稀土掺杂过渡金属氧化物对AP热分解的催化作用

为了解不同种类的过渡金属氧化物与稀土金属氧化物纳米粒子对AP热分解的催化作用,分别制备了过渡金属氧化物纳米粒子（Fe2O3,CuO和Co2O3）和稀土金属氧化物纳米粒子（CeO2,Nd2O3和Y2O3）,并进行相互掺杂混合。采用电子显微镜、X射线衍射仪、比表面分析仪、纳米粒度分析仪等表征手段,表明几种样品均为粒径纳米级、比表面积较大的纳米金属氧化物粒子。通过对纳米金属氧化物与AP复合样品进行热分析,发现不同的纳米金属氧化物具有不同的催化性能,但过渡金属氧化物与稀土氧化物在催化性能上无明显可比性;而混合掺杂的物质也具有不同的催化协同作用。纳米Co2O3和Y2O3在研究的过渡金属和稀土金属中表现出了对AP最好的催化作用。     

生物质焦油衍生氮掺杂多孔碳负载Co3O4纳米晶的制备及双功能氧反应催化

以生物质焦油活化多级孔碳为骨架,通过一步水热合成同时实现氮掺杂和Co₃O₄纳米粒子负载,获得Co₃O₄@N/C复合催化剂。对比研究结果表明,凭借复合材料中活性Co₃O₄和N掺杂结构之间的协同效应,Co₃O₄@N/C复合催化剂对氧还原（ORR）和析氧反应（OER）均表现出较高的催化活性,ORR和OER启动电位电势差ΔE为0.99V;其中,ORR极限扩散电流密度为-5.10mA/cm²,与贵金属Pt/C相当。此外,Co₃O₄@N/C具有优异的氧还原稳定性,在经3000次循环伏安法扫描后,Co₃O₄@N/C的极限扩散电流密度仍能保持89.9%。这一生物质焦油衍生碳所构筑的N掺杂多孔碳负载Co₃O₄纳米晶复合材料在燃料电池和金属空气电池等领域具有巨大的应用潜力。     

氮修饰碳基ORR催化剂在BES系统中的应用进展

生物电化学系统(BES),利用产电微生物将废水中蕴含的丰富的化学能直接转换成电能,在净化废水的同时实现生物产电、污染物去除、生物传感等重要过程,为废水资源化利用提供了崭新的途径。目前BES性能主要受到阴极氧气还原反应(ORR)动力学的限制。设计和开发高性能的ORR催化剂对于提高BES性能至关重要。介绍了BES阴极氧还原反应的电催化机理,重点阐述BES中各种氮修饰碳基ORR催化剂(包括氮掺杂碳材料催化剂,氮掺杂碳载过渡金属催化剂,氮-杂原子共掺杂碳基催化剂)的发展现状,评价其在ORR效率、稳定性、经济性等方面的优越性和局限性。为实现BES更加高效、稳定的能源转换提供理论指导和实际参考。     

生物柴油合成用木质素固体酸催化剂的制备

采用炭化磺化法,以天然生物质木粉为原料制备了生物质炭基固体酸催化剂,研究了不同树种的生物质木粉对炭基固体酸催化剂的催化酯化性能的影响.比较了4种不同原料制备的炭基同体酸催化剂的催化性能,并进行了表征.结果表明,与其他炭基固体酸催化剂相比,以生物质木粉为原料制备的炭基固体酸催化剂表现出了较高的催化酯化性能.     

多孔碳材料的制备及其金属磷化物氧还原性能研究

多孔碳材料及其金属磷化物在电催化氧还原反应中具有广阔的应用前景。以三聚氰胺为碳源和氮源，磷酸氢二铵为磷源，制备具有超高比表面积的氮、磷共掺杂的中空碳纳米壳，通过调节磷源实现了多孔高比表面碳材料的制备。将三聚氰胺、磷酸氢二铵和铁前驱体复合，制备氮、磷共掺杂的石墨碳包裹的磷化铁纳米颗粒。石墨碳层和磷化铁之间存在电子相互作用，内部的磷化铁向外层石墨碳转移电子，这种界面相互作用大大提高了催化剂氧还原（ORR）活性，半波电位高达0.9 V。同时，包裹的碳层起到保护磷化铁（FeP）免受氧化和溶解的作用，催化剂表现出较好的稳定性。     

鸡蛋黄热解制备高效双功能电催化剂

廉价高效的可催化氧还原反应（ORR）和析氧反应的双功能电催化剂是实现可再生燃料电池和金属-空气电池等化学电源大规模商业化应用的关键因素。以鸡蛋黄和六水合氯化钴为前驱体,采用简单的一步热解法制备了杂原子掺杂碳材料（HDC）负载Co₂P纳米颗粒双功能电催化剂（Co₂P-HDC）。采用SEM、TEM、XRD以及XPS等表征手段对所得催化剂的微观形貌、晶体结构以及表面元素组成进行了分析表征。运用旋转圆盘电极（RDE）技术考察了Co₂P-HDC在碱性介质中催化ORR和OER的性能。结果表明,Co₂P-HDC催化剂表现出与商品Pt/C催化剂相当的ORR催化活性以及优于Pt/C催化剂的OER催化活性和耐久性,有望应用于金属-空气电池、可再生燃料电池等化学电源中,并为鸡蛋黄的高附加值利用提供新的途径。     

多孔碳纳米管负载Fe3C纳米颗粒的电催化性能研究

通过静电纺丝技术和后煅烧法成功制备了一种Fe₃C纳米颗粒嵌入的N掺杂多孔碳纳米管材料(Fe₃C-NCNT)。利用SEM、TEM、XRD、Raman、XPS等对催化剂进行表征，同时对所制备的Fe₃C-NCNT纳米管在电催化氧还原反应时表现出的电催化活性和循环稳定性进行测试。结果表明，Fe₃C@NCNT表现出优异的电催化ORR性能，为制备高效非贵金属电催化剂提供了一种简便有效的通用方法。     

过渡金属离子掺杂四氧化三锰纳米催化剂

以高锰酸钾和葡萄糖为原料,通过水热反应制备了四氧化三锰纳米晶颗粒,探讨了过渡金属离子掺杂的影响,并考察制备的产物作为催化剂在催化一氧化碳氧化反应中的性能。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜 （SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、氢气程序升温还原（H2-TPR）等手段对产物进行结构表征。结果表明,过渡金属离子掺杂可消除产物中的MnOOH杂相。制备的产物具有八面体形貌,尺寸随掺杂离子的变化而变化。掺杂还可以提高四氧化三锰纳米晶催化一氧化碳氧化反应的活性,呈现掺杂效应。     

生物质炭基催化材料的研究进展

综述了近年来生物质炭基催化材料的研究进展。概述了生物质炭基材料的制备及其改性方法,重点讨论了其在固体酸催化、电催化及光催化领域的应用研究,介绍了不同生物质炭材料在反应中的催化性能,并对未来发展趋势进行了展望,指出开发更多类型的生物质材料,探索简单高效的制备工艺,设计结构合理、性能高效及可规模化应用的生物质炭基催化材料将成为该领域今后的研究重点。     

高氮掺杂多孔炭材料的制备及其氧化还原性能研究

催化剂是影响燃料电池阴极氧化还原反应(ORR)的重要因素。铂等贵金属可以作为有效的ORR催化剂,但其资源有限,价格高昂。氮掺杂多孔炭材料(NPC)具有价格低、导电性高等突出优点,使其成为当前金属铂催化剂的重要替代材料。本研究采用细乳液聚合合成聚丙烯腈(PAN)微球,然后浸渍挥发性电解质ZnCl_2溶液,经预氧化、炭化制得高氮掺杂多孔炭材料(NPC)。ZnCl_2作为活化剂兼具溶剂和活化扩孔双重作用,炭化时ZnCl_2的挥发增加了NPC的孔隙率,制备出的NPC比表面积大(1 776 m~2/g),含氮量高(10%)。用于ORR,起始电位为0.9 V vs RHE,电子转移数约为4,说明NPC具有良好的氧化还原性能。     

锌空气电池双功能阴极催化剂研究进展

可充电锌空气电池(ZAB)被认为是具有前景的储能设备之一.阴极氧还原反应和氧析出反应(ORR和OER)动力学缓慢,限制ZAB的实际应用,开发出高活性催化ORR/OER双功能阴极电催化剂尤为重要.综述了非贵金属双功能阴极电催化剂,包括无金属碳材料催化剂、过渡金属催化剂和过渡金属-氮掺杂碳材料组合催化剂,讨论几种催化剂催化...     

离子热碳化制备Fe/N共掺杂生物炭及其催化性能研究

以铁基离子液体[BMIm]FeCl₄和木质纤维类生物质废弃物为前驱体,采用离子热碳化方法制得铁/氮共掺杂生物炭（Fe-N/BC）催化剂,并对其性质进行了表征。研究了Fe-N/BC催化剂活化过一硫酸盐（PMS）处理有机污染物罗丹明B和双酚A的性能,并对Fe-N/BC催化剂进行了吸附实验、催化动力学实验和自由基淬灭实验。结果表明,Fe-N/BC为包覆有铁金属纳米颗粒的氮掺杂石墨化碳材料,空泡结构和发达的孔隙结构使其具有很强的吸附性能,60 min后才达到吸附平衡,吸附50%的双酚A;加入氧化剂过一硫酸盐后,30 min后对双酚A的降解率达到95.5%,远远快于氮掺杂生物炭（N/BC）材料和生物炭（BC）。Fe-N/BC活化PMS降解双酚A过程中对pH不敏感,反应方式主要通过非自由基路径实现。     

纳米材料在纤维素催化转化中的应用

为了减少当今世界对化石燃料资源的依赖,制备新型的催化剂进行纤维素高效降解具有重要意义。纳米材料具有独特的晶体结构及表面特性,其催化活性和选择性远远高于传统催化剂,目前已经被国内外作为第四代催化剂进行研究和开发。纳米粒子、纳米金属氧化物、负载型纳米催化剂以及磁性纳米固体酸催化剂等在纤维素催化转化方面具有潜在的应用前景。     

表/界面调控策略在氢/氧反应电极中的研究进展

高效的非贵金属基电催化剂对于提升氢气析出反应（HER）、氧气析出反应（OER）、氧气还原反应（ORR）等电催化反应的整体效率、促进能源转换技术的发展及应用起着至关重要的作用。近年来,对现有的电催化剂进行表/界面调控以诱导其产生新的理化性质,从而提高催化活性的研究受到了广泛的关注。本文综述了近年来利用形貌尺寸调控、缺陷调控、杂原子掺杂、异质结结构等表/界面调控策略在设计非贵金属基电催化剂方面的研究进展,揭示了催化材料体系改性对优化和提升催化性能的关键特性。从催化剂制备、先进表征手段、理论计算、应用性评价等方面展望了非贵金属基电催化剂在实际应用中存在的挑战和未来的研究方向,为实现清洁能源的大规模应用提供参考。