微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展

微生物燃料电池（Microbial fuel cells, MFCs）是一种绿色能源技术,通过微生物的催化氧化代谢污水中的有机物同时产生电能,具有清洁环境和产电的双重优势,为可生物降解及可循环利用的废弃物转变成清洁能源提供了潜在的机会,在环境治理和能源利用方面表现出较好的应用前景。然而,目前相对较低的产电效率限制了MFCs的实际应用,其中阳极电极是产电微生物富集和传递电子的重要场所,与电池极化、电子导电性、生物相容性密切相关,是影响电池性能和运行成本的关键因素。碳纳米材料具有导电性好、比表面积大、孔隙率高、成本低等特点,被认为是微生物燃料电池重要的阳极材料,得到了广泛的研究和关注。本文主要从阳极电极种类、电极结构设计和电极材料改性等方面总结改善电极生物相容性、增加产电微生物附着量、提高反应活性位点的方法,并对提高产电性能的机理进行论述。最后对碳基电极材料进行展望,以期为制备高电化学活性的阳极材料提供理论指导。      

吡咯/炭黑氧化物复合氧阴极材料的制备及催化性能

氧还原反应(ORR) 是碱性燃料电池和金属-空气电池的重要阴极反应.由于常见的铂基氧阴极材料存在价格昂贵、稳定性较低等问题, 因此, 开发低成本、高效率的非贵金属基氧阴极材料具有重要的研究意义和应用价值.氮掺杂碳材料是目前氧阴极材料研究的热点, 炭黑中碳原子的排列方式类似于石墨, 由于其价格低廉、来源广泛, 在碳材料的研究中具有独特的优势.本文基于炭黑, 采用化学法制备了氮掺杂炭黑氧阴极材料, 研究了其氧还原反应催化活性, 并进行了相关表征.结果显示炭黑-吡咯复合材料具有极好的氧还原反应活性, 700℃热处理后性能最优, 在1 mol·L-1KOH中其起峰电位约为0. 9 V, 极限扩散电流密度为2. 6 m A·cm-2, 转移电子数高于3. 5, 这些特性使得这类材料具有广阔的应用前景.      

电解水制氢技术及大电流析氧反应研究与展望

当今时代对可持续能源的迫切需求推动了可再生能源技术的不断改进,其中氢能因其清洁环保且能量密度高而受到了科研人员广泛关注.电解水制氢作为一种绿色环保的制氢方式,其阳极析氧反应（OER）的高能耗限制了电解水制氢技术的广泛应用.近年来,高性能的OER催化剂的研究得到了长足发展,但催化剂的测试范围小,且很少能够连续工作数百小时,远远不能满足实际应用的需求.为了更好的适用于工业应用,OER催化剂需要满足更苛刻的测试环境,如在低过电位下提供大电流密度、在强气体排放过程中维持稳定性和耐久性,因此开发在大电流密度下的高活性OER催化剂是当前工作的重中之重.结合大电流OER催化剂的研究进展,本文首先提出氢能是目前最有前途的能源之一,并调研了大电流密度下电催化剂的研究现状.其次通过对OER机理进行分析,发现采取元素掺杂、界面工程、缺陷工程和形貌工程等措施可以提升催化剂在大电流密度下的活性.最后,对大电流析氧领域在工业发展中现阶段存在的挑战及未来发展方向进行了展望.     

金属有机框架结构材料衍生的过渡金属单原子催化剂应用于氧还原电催化的研究进展

过渡金属元素掺杂的金属有机框架结构（MOF）材料衍生的过渡金属单原子催化剂（SACs）因具有高比表面积、清晰的金属节点、可调节的孔径和拓扑结构等特性,被证明可以替代商业Pt系贵金属催化剂,作为一种新型非贵金属催化剂应用于燃料电池和金属-空气电池阴极氧还原反应（ORR）中。本文综述了由MOF前驱体衍生的SACs在ORR电催化中的最新进展,包括如何解析SACs中催化中心原子的配位环境,对不同配位环境下的SACs催化反应活性预判,以及单原子活性中心负载优化和配位原子协同效应对SACs催化活性的影响,最后提出SACs未来的研究和应用方向。     

铜基电极的改性及其在电解水制氢催化中的研究进展

金属铜（Cu）因电子电导率高、价格低廉和环境友好等优点,成为能源存储与转换领域的关键材料之一。然而,Cu因自身催化活性低和表面易腐蚀/氧化等,限制了其在电解水制氢领域的实际应用。通过对Cu进行改性,可优化电极表面对反应中间体的吸附和界面稳定性,显著提升催化性能。本文简要介绍了目前Cu基电极存在的问题,重点阐述了Cu基电极在单原子结构设计、 Cu基复合材料、 Cu合金化以及杂原子掺杂四方面的改性研究进展,并对析氢催化机理进行深入分析。结果表明,通过对Cu进行改性可以激活Cu位点、暴露更多活性面积和稳定界面,显著提高Cu基电极的催化活性和催化稳定性。未来,Cu催化电极的研究应注重更有效的材料改性方法,以便进一步提高其在催化反应中的应用价值。     

氮掺杂碳纳米纤维网/炭纸有序化气体扩散电极的制备及其氧还原性能

以自制炭纸为基体,在其表面电化学合成聚苯胺纳米纤维网涂层,经过热处理后得到氮掺杂碳纳米纤维网/炭纸有序化气体扩散电极。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料的形貌与结构特征,采用循环伏安法、线性扫描伏安法和交流阻抗谱研究材料的氧还原催化性能。结果表明,当n(苯胺单体)/n(盐酸)为0.4时,得到均匀、连续的网状聚苯胺纳米纤维网涂层,其结构在热处理后得到有效保留。与传统涂覆法制备的氮掺杂碳纤维/炭纸复合电极相比,有序化电极的氧还原性能更佳,欧姆阻抗和扩散阻抗更小。在O_2饱和的浓度为0.1 mol/L的KOH水溶液中,有序化电极的氧还原电流密度达到0.76 m A/cm~2,是传统电极的1.6倍。     

以阵列二氧化钛纳米棒为载体制备一体化析氧电极

以碳纸为支撑体,氯铱酸为前体,利用二氧化钛纳米棒阵列作为载体,采用浸渍-热分解法成功制备IrO₂-TiO₂/C一体化析氧电极.通过扫描电镜 (SEM)、XRD、XPS和电化学方法——循环伏安 (CV)、交流阻抗 (EIS) 等手段,研究载体形貌对析氧电极性能的影响.结果表明:二氧化钛载体能有效抑制支撑体碳纸在高电位下的腐蚀,当电压为2.4 V时,极化电流才仅为13.2 mA/cm2,一体化析氧电极积分电荷由87.2 mC/cm2增至178.5 mC/cm2,电极电化学反应阻抗由3.13 Ω·cm2降低到1.62 Ω·cm2,极大地提高了析氧电极的接触面积和催化剂的电催化活性.      

金属基氧电极材料催化机理研究进展

燃料电池作为一种高效、无污染的能源转换器件,受到广泛关注.其阴极氧还原反应是决定电池性能最重要、最关键的因素之一,也是制约其商业化的关键瓶颈因素之一.因此,研究和开发高效氧还原催化剂及其催化机理,对于燃料电池的发展和商业化进程具有十分重要的意义.在简要介绍燃料电池的基础上,综述了近年来金属基氧还原电极材料催化氧还原反应的机理,金属基氧还原电极材料包括Pt催化剂、Pt-M催化剂、杂原子掺杂碳载金属类催化剂等,总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本和催化剂制备工艺等方面所取得的研究结果,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向.     

一种高效双功能电催化剂CoP/Co@NPC@rGO的制备

简单的热处理和热处理磷化ZIF-67/氧化石墨烯（GO）前驱体得到具有典型的多孔碳结构特征的CoP/Co@NPC@rGO纳米复合材料电催化剂。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和N₂等温吸脱附曲线等对其形貌、成分和结构进行分析和表征。采用线性扫描伏安法、电化学阻抗谱和计时电位法探讨了CoP/Co@NPC@rGO纳米复合电催化剂对氢气析出反应（HER）和氧气析出反应（OER）的电催化活性和稳定性。结果表明,CoP/Co@NPC@rGO?350在1.0 mol·L–1 KOH溶液中达到10 mA·cm?2电流密度的析氢过电位仅127 mV;同时,在1.0 mol·L–1 KOH溶液中显示出优于贵金属RuO₂的析氧性能,达到10 mA·cm?2电流密度的过电位为276 mV,塔菲尔斜率仅为42 mV·dec?1。这种高析氢和析氧电催化活性主要归因于高度石墨化的N掺杂多孔碳与N掺杂石墨烯之间的协同效应。CoP/Co@NPC@rGO是电催化全解水电催化剂的候选材料,且为基于金属有机骨架（MOFs）/氧化石墨烯复合材料的高效电催化剂的设计开辟了一条新的途径。      

直接碳固体氧化物电池阳极催化剂研究概述

纵观全球,能源危机和环境污染日益严重,传统的燃煤火力发电方式会排放大量的温室气体且效率低下,因此我们迫切寻求并开发煤炭等化石燃料清洁利用的新技术,而直接碳固体氧化物燃料电池是一种很有前途的解决方案.在直接碳固体氧化物燃料电池中,阳极电极催化剂是电池性能提升的关键.因此,本文介绍了直接碳固体氧化物燃料电池的基本知识,详细...     

甲烷部分氧化催化剂上的积碳研究进展

积碳是影响甲烷转化制合成气的催化剂性能的重要因素.在阐述甲烷催化部分氧化过程反应机理和催化剂体系的基础上,重点论述了甲烷催化部分氧化的催化剂失活与积碳的关系及影响催化剂的积碳因素.认为提高催化剂抗积碳性能的关键在于活性组分和负载量的改变、助剂的添加、载体的调控和制备方法的改进和储氧材料的使用,并对晶格氧催化甲烷部分氧化制合成气技术提出了展望,认为该技术具有良好的工业化应用前景.     

CeO2with diverse morphologies-supported IrOx nanocatalysts for efficient oxygen evolution reaction—Commemorating the 100th anniversary of the birth of Academician Guangxian Xu

IrOx-based catalysts are considered the most promising candidates for oxygen evolution reaction(OER)due to their high efficiency.However,improving their intrinsic catalytic activity is essential for practical application.In this work,CeO₂with three different morphologies(rod,cube,octahedron)and supported IrOx nanoparticles were fabricated,and they display morphology-dependent OER activity.The IrOx/CeO₂-rod shows the highest activity;the catalysts have a catalytic activity sequence of rod>cube>octahedron.A plausible mechanism was proposed:the CeO₂support with different morphologies modulates the electronic structure of IrOx by the synergistic interaction promoted by oxygen vacancies between the active component and the support,thereby altering the catalytic activity of the IrOx/CeO₂catalyst.     

LaSr_2Mn_2O_7 Ruddlesden-Popper manganites for oxygen reduction and electrochemical capacitors

LaSr_2 Mn_2 O_7,a Ruddlesden-Popper type bilayered perovskite,was investigated as oxygen catalyst for oxygen reduction reaction(ORR) and active electrode material for electrochemical capacitors in KOH solutions.XPS results show that Mn takes a mixed Mn~(2+),Mn~(3+)and Mn~(4+)valence state with an average valence of 3.4.As catalyst towards ORR,LaSr_2 Mn_2 O_7 and LaSr_2 Mn_2 O_7/acetylene black composite favor four electron pathways for ORR.LaSr_2 Mn_2 O_7/C composite shows a comparable onset potential for ORR to that of Pt/C electrode.The improved ORR activity of LaSr_2 Mn_2 O_7/acetylene black composite is attributed to the synergy between catalytic LaSr_2 Mn_2 O_7 and conductive acetylene black.As electrode material for electrochemical capacitors,LaSr_2 Mn_2 O_7 exhibits a maximum specific capacitance of 167.2 F/g with 62%faradic contribution at a scan rate of 1 mV/s in cyclic voltammetry test.     

CuO及其他过渡金属氧化物纳米结构材料在锂离子电池中的研究进展

锂离子电池（LIBs）因其能量密度高、体积小、质量轻等优点在便携式储能设备中广受欢迎。然而,传统商用LIBs存在可逆容量低、循环性能差、成本高、安全性差等问题,需要进一步提高其功率密度、能量密度、寿命和安全性。过渡金属氧化物负极材料提供的可逆容量与传统石墨材料相比高2～3倍,且具有更高的嵌锂电位和更高的安全性。同时,纳米结构电极材料由于其高比容量、快速的电子/离子转移速率,以及具有可减轻体积膨胀的自由空间等优点,成为电池电极的理想材料。本文综述了氧化铜（CuO）纳米结构材料用于LIBs的研究进展,包括球状、线状、片状等纳米结构,还阐述了它们的优势;还介绍了其他过渡金属氧化物纳米结构材料在LIBs中的应用;最后,讨论了CuO及其他过渡金属氧化物纳米结构材料未来在LIBs中应用的机遇和挑战。     

钾离子电池的研究进展及展望

锂离子电池（LIBS）已经广泛应用到便携式电子产品和电动汽车上.然而,随着锂资源的开采使用,锂离子电池的成本也在逐渐增加.相比之下,地壳中较高的钾含量使得钾离子电池（KIB）成本相对较低.进而,钾离子电池作为一种新型低成本储能器件受到了广泛关注.但钾离子的半径较大,导致充放电过程中,离子嵌入/脱出的动力学性能较差.因此,电池电极材料的选择面临着新的挑战.在对钾离子电池电极材料进行分类和总结的基础之上,重点介绍了石墨及各种形式的碳材料、过渡金属氧化物、合金类等负极材料以及普鲁士蓝、层状金属氧化物、聚阴离子型化合物等正极材料的研究进展,并对钾离子电池的发展进行了展望,以期对高性能钾离子电池的发展提供新思路.     

反应温度对卤素刻蚀法制备碳化物衍生碳涂层的影响

近些年来,碳化物衍生碳以其独特的性能被广泛应用在气体存储、超级电容器、催化剂载体和摩擦涂层等方面.卤化法以成本低、制备工艺简单等特点成为制备衍生碳涂层的热点.本文以SiC陶瓷基体为前驱体,通过高温氯化处理工艺在SiC表面制备碳化物衍生碳涂层,并研究了反应温度与其摩擦学性能之间的关系.研究结果表明:在1 175℃下保温2 h所制备的SiC-CDC涂层表面光滑平整、硬度最高、且与基体的结合强度最好.此时SiC-CDC涂层的干摩擦系数最小,耐磨性最强,具有良好的摩擦学性能.氯气刻蚀反应制备SiC-CDC涂层可为工业上应用衍生碳涂层提供理论和技术支持.