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...     

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。     

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...     

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.     

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。     

应用于氧还原反应催化剂的研究进展

燃料电池作为一种具有高能量转换效率和绿色无污染的能量转换设备,有望改善当前的高化石能源消耗的现状,推进社会绿色发展。燃料电池阴极氧还原催化剂高昂的成本及较差的电化学性能限制了其商业化进程,研究人员正在积极的开发具有高催化活性及稳定性的新型燃料电池氧还原催化剂,本文就近几年燃料电池阴极氧还原催化剂的研究进展进行了综述,并对其之后的发展方向进行了展望。     

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...     

铁相关催化剂在氧还原反应中的研究进展

开发新型能源是解决全球能源问题的重要手段。锌-空气电池有望在能源转化和储存领域得到广泛应用,但其空气电极发生的氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)因反应动力学缓慢严重限制了其大规模应用,因此迫切需要开发高效且稳定的ORR催化剂来解决这一问题。铁元素由于价格低廉、储量丰富、获取方式简单等优点成为ORR催化剂研究的重要选项。近几年,具有铁元素相关活性位点的催化剂受到了广泛的研究,并被认为是最具潜力的贵金属催化剂的替代品。简要介绍了可用于ORR的铁基碳材料催化剂(iron-based carbon material catalyst, IBCMC)的研究现状,按照活性位点分类分别探讨活性位点对IBCMC催化性能的影响,并对影响IBCMC稳定性能的因素进行了讨论,展望了IBCMC在ORR催化领域的发展方向。     

碳基非金属纳米材料用于二电子氧还原制备过氧化氢的研究进展

电催化二电子氧还原反应(2e-ORR)制备过氧化氢(H2O2)凭借其高效、安全和绿色特点,逐步发展为一种可能替代工业蒽醌法的新途径.碳基纳米材料具有电子导电性高、结构稳定性好、纳米结构调控容易、成本低等优势,是一类具有良好前景的2e-ORR制备H2O2的催化剂.针对该类碳基电催化材料的发展现状及相应材料上的活性中心和反...     

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。     

钴,氮共掺杂多孔炭用于高性能氧还原电催化剂

钴和氮共掺杂炭催化剂(Co-NC),由于成本低廉和资源丰富而备受关注,但其低的氧还原反应(ORR)活性和对氧气的双电子(2e-)还原生成H2O2的高选择性,进一步影响了其在燃料电池中的应用.因此,Co-NC催化剂是通过在650、750和850℃下热解CoCl2和壳聚糖的混合物(用ZnCl2预处理),然后用HNO3洗涤并...     

杂原子掺杂碳材料在直接甲醇燃料电池催化剂中的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFCs)是解决能源短缺和环境污染问题的清洁能源之一。甲醇氧化反应(MOR)和氧还原反应(ORR)是DMFCs重要的电极反应,然而其迟缓的动力学过程严重制约其商业化进程。碳材料因具有低成本、高比表面积、发达的孔结构而备受关注。杂原子(氮、硫、磷、硼等)掺杂不仅有助于改善碳的表面惰性来提高导电性能和增加缺陷位点,还能通过强化金属-载体间相互作用提高电化学活性。因此,研发杂原子掺杂碳材料作为ORR催化剂和MOR催化剂载体对推动DMFCs的商业化具有重要意义。综述了杂原子掺杂碳材料常见的制备方法及其在ORR和MOR领域的研究进展,并展望多组分共掺杂、材料稳定性的提升及催化机制的深入剖析是未来研究的方向。     

蜂窝状碳负载铁基单原子催化剂的制备及ORR催化性能研究

单原子催化剂(SACs)以近100％的原子利用率以及优秀的催化活性等,在促进多相催化方面受到了广泛关注.然而,由于金属原子在高温下易烧结,SACs的合成仍然具有挑战性.本研究利用熔融盐(MS)提供的强极性环境,制备了以氮掺杂碳为载体的铁基单原子催化剂(Fe SA-NC).结果表明,Fe SA-NC显示出蜂窝状的多孔形貌...     

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/...     

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。     

杂原子掺杂碳材料用于氧还原反应催化剂的研究

氧还原反应存在于多种储能设备如空气电池和燃料电池的反应过程中,通常以商业铂碳作为催化剂,但铂基催化剂的高昂价格和易中毒的缺点限制了其广泛应用.碳基材料被认为是贵金属催化剂最有希望的替代物,引起了众多研究者的兴趣.这是因为某些杂原子掺杂于碳基体中会因为其与碳原子的物理化学性质的差异而在基体中形成缺陷,形成催化的活性位点,...     

铁氮掺杂活性炭载体增强碳载铂基催化剂氧还原反应稳定性EI北大核心CSCD

修饰和改良载体是改善质子交换膜燃料电池阴极铂基催化剂性能的主要途径。以铁氮(FeN)掺杂活性炭(Black Pearl 2000,BP)为载体,获得负载型铂基催化剂。使用电化学方法对催化剂的氧还原反应活性以及稳定性进行测试,采用X射线衍射仪、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等分析手段对载体及催化剂结构进行表征。结果表明:Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位均为0.94 V,具有相当的氧还原反应初始活性;老化测试后,Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位损失分别约为10,30 mV,半波电位损失分别约为5,60 mV,Pt/FeN-BP催化剂的稳定性明显优于商业Pt/C催化剂。这是因为,铁氮掺杂碳载体具有适中的比表面积和孔径大小,Pt颗粒在载体上以小粒径的状态存在且老化测试后Pt颗粒无团聚现象,以及载体与Pt颗粒之间可能存在一定的相互作用。     

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。     

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。