单原子电催化析氢催化剂的研究进展

随着全球能源短缺和环境污染问题的不断加剧,具有热值高和环境友好等优点的氢能源已成为最具发展潜力的能源之一。作为一种绿色、可持续的制氢方法,电催化析氢反应（HER）受到了广泛关注。当前,无论是HER的基础研究,还是应用研究,催化剂始终是核心问题。单原子催化剂（Single Atom Catalysts, SACs）由于其最大的原子利用效率以及独特的结构和性能,在HER过程中表现出优异的催化活性及稳定性。本文首先对近年来用于HER的SACs的合成方法进行了综述,包括热解、沉积、液相合成和刻蚀等制备方法;其次,对各种用于探索SACs与HER的结构—催化关系的物理化学性能表征及密度泛函计算方法进行了总结。最后,对用于HER的SACs存在的不足进行了分析总结,以期为设计和制备廉价有效地用于HER的SACs提供有价值的理论借鉴,提高其实际应用价值。      

异原子配位结构碳基单原子电催化剂结构与性能相关性的研究进展

单原子催化剂（SACs）由于其原子利用率高、活性中心明确、比活性高和稳定性强等优点,在催化电解水领域具有独特的优势. 然而,材料中的金属−载体相互作用对催化过程具有重大影响. 首先,本文明确了单原子催化剂的特点并研究了其电子结构和构效关系方面独特优势. 其次综述了氧化物载体在稳定金属单原子、分散活性物种、调节中心电子结构、吸附和活化反应物等方面的重要作用;并详细分析了载体如何通过结构缺陷、表面基团、空间限域和晶格作用等实现对金属原子的负载和稳定. 然后,通过实例对比了单原子在不同氧化物载体上配位结合方式,以及在析氢、析氧和全水解反应中的性能差异. 最后,对利用载体与单原子相互作用调节催化剂性能的机遇和挑战、关键问题和可能的解决方案进行了展望.

     

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。     

石墨烯限域非贵金属单原子催化剂研究进展

石墨烯负载的非贵金属单原子催化剂有着特殊的晶格结构和物理化学性质,在多种化学反应中也具有优越的活性和选择性,以石墨烯作为催化剂载体时,单原子催化剂的整体性能得到显著提升,目前研究和开发高性能廉价的石墨烯限域非贵金属单原子催化剂是催化领域深入的关键。文章综述了近年来石墨烯限域非贵金属单原子催化剂的制备工艺、表征方法和应用方向。还介绍了其在CO₂氧化、析氢反应等催化反应中的应用。最后对石墨烯限域非贵金属单原子催化剂未来的发展方向进行了展望。     

高能球磨活化二硫化钨的制备及其电催化析氢性能研究

采用高能球磨对商业二硫化钨进行活化处理,通过控制球磨工艺,制备出不同活化程度的WS₂析氢电催化剂。通过XRD、Raman、SEM、TEM、XPS等系列表征和电化学分析,系统研究其成分结构与电催化析氢性能。结果表明：在酸性电解液中,350 r/min球磨活化处理12 h后的WS₂样品表现出最佳析氢性能,其在电流密度为10 mA/cm²时的过电位η₁₀为245 mV,塔菲尔斜率为141 mV/dec,远优于未球磨样品,其性能提升主要归因于球磨过程中的高能撞击产生强力剪切和剥离作用,使晶粒破碎细化,比表面积增大的同时产生大量的孔洞缺陷和空位,暴露出更多活性位点和边缘缺陷。     

面向低成本纯水电解制氢技术的单原子化金属复合物析氢催化剂研究进展

纯水电解制氢技术是合理利用可再生能源实现电能-氢能相互转化的一个有效途径,对于实现中国的能源结构转型和“双碳”战略有着重要作用。纯水电解制氢的主要实施方式是采用酸性质子交换膜的电解槽,但是其催化剂中所需的大量贵金属组分导致了高昂的制造成本,严重限制了其未来的发展。单原子化金属复合物催化剂的研发与应用是有效降低催化剂中贵金属用量的一个重要策略,开发适应酸性环境、高反应活性、稳定可靠的贵金属甚至非贵金属体系单原子催化剂（SACs）成为研究和产业化的共同热点。本文在介绍单原子催化体系的研发历程和在酸性析氢反应（HER）过程中应用现状的基础上,分为贵金属体系和非贵金属体系两大类分别进行综述,具体阐述了单原子复合催化剂的制备方法、组分结构、电化学性能以及构效关系,最后对面向更低成本的单原子化析氢催化剂的发展前景和应用推广趋势进行了总结和展望。     

单原子催化剂在光催化分解水制氢中的研究现状

光催化分解水制氢技术可以实现太阳能转化为氢能,因此它被认为是一种解决能源和环境问题的有效手段之一.单原子催化剂是催化领域一种新型的催化材料,金属原子级地分散在基底材料上,使其有着最大的原子利用率,其独特的优势引起了人们的广泛关注.在光催化分解水产氢领域,单原子的引入可以一定程度上改变基底材料的内在电子结构以及材料的物理...     

稀土单原子光催化剂制备和应用研究进展

单原子光催化剂具有增强光捕获、电荷转移和光催化的表面反应等方面的优势,已成为目前光催化领域非常活跃的研究方向。稀土元素电子结构独特,表现出优越的光学、电学等方面的性质,被广泛应用于催化科学研究。将稀土金属的尺寸降低到单原子尺度,对于提高稀土元素的光催化效率及其利用效率非常重要。本文对稀土单原子光催化剂进行了概述,重点分析了目前稀土单原子光催化剂的制备方法和稀土单原子光催化剂的应用,并对稀土单原子光催化剂面临的挑战和发展方向进行了展望。     

电解水析氢贵金属电催化剂的研究进展

当前,人类面临的传统化石能源枯竭和环境污染问题引发了寻找替代新能源的热潮,而氢能作为一种绿色能源,具有能量密度高、零排放和来源广泛等优点,引起人们广泛关注。在目前各种制氢技术中,利用可再生能源所产生的电能作为动力来电解水是最为成熟和最有潜力的技术之一,也是通向氢经济的有效途径。该技术的核心问题为高效、稳定、廉价的电解水析氢催化剂的开发。和非贵金属相比,贵金属催化剂具有活性高和稳定性好的优点,但应用成本偏高、催化性能还需进一步提高。主要介绍以Pt, Pd, Ru, Rh和Ir等贵金属元素为主要活性组分的高效析氢电解水催化剂的研究进展,一方面通过筛选性能优良的载体提高催化剂的活性、稳定性和原子利用率;另一方面是贵金属活性组分的合金化或者利用纳米技术调控活性组分的形貌。最后展望了贵金属基材料在电解水析氢反应中的发展方向和产业化应用前景。     

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。     

电沉积法制备自支撑Ni-Sn-B电极的显微结构与电催化析氢性能

为开发高效稳定的析氢电催化剂,采用恒电流电沉积法在镍网基底上制备自支撑的Ni-Sn-B析氢电极,通过扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪和电化学工作站等对电极的形貌结构、元素组成与电催化析氢性能进行表征和测试。结果表明,Ni-Sn-B电极表面由粗糙的胞状颗粒紧密堆积而成,具有非晶态特征结构。在碱性电解质中,Ni-Sn-B电极表现出优异的催化析氢活性和稳定性,在10m A/cm²电流密度下过电位仅为63 mV,比Ni-Sn和Ni-B电极的过电位分别降低38.2%和59.1%。电极的电荷转移电阻为1.56Ω,经过5 000次CV循环和72 h电解后,仍保持非常高的析氢活性。粗糙的表面形貌及非晶态结构使电极的电化学活性表面积和催化活性位点显著增加,同时B和Sn对Ni电子结构的调控,可有效降低电荷转移阻力,从而提升电极的电催化析氢性能。     

稀土基单原子催化剂的合成及应用研究进展

稀土元素因其具有极大的潜在应用价值而备受关注。稀土元素独特的电子结构与氧化还原特性使其广泛应用于催化领域。与此同时,金属单原子催化剂因其极高的原子利用率、较低的金属用量和较高的选择性,在与传统金属催化剂的比较中,展现出巨大优势。将稀土元素用于单原子催化剂为实现稀土高附加值利用提供了一条全新途径。目前有关稀土基单原子催化剂研究仍处于起步阶段,尚不够广泛和深入。本文总结了目前已报道的稀土基单原子催化剂的合成方法及其在电催化和光催化领域中的应用研究进展。同时,在此基础上提出了稀土单原子催化剂所面临的问题以及未来的发展前景。     

钴卟啉为前驱体的生物基Co-N-C材料制备与性能

竹叶,是禾本科的一个分支,在热带、亚热带地区,东亚、东南亚和印度洋及太平洋岛屿上分布最集中、种类很多,是世界上长得最快的植物。本文以人工合成的四苯基金属钴卟啉为前驱体,通过溶液自吸附方式,将其分散在天然竹叶结构当中。经高温退火处理,得到竹叶源植物基Co-N-C型材料。通过扫描电镜（SEM）、 X射线衍射（XRD）、 Raman光谱确定的材料的形貌与结构,利用能谱（EDS）与X射线光电子能谱（XPS）等方式确认了元素的分布。进一步研究通过多种电化学催化实验,确认了经不同退火温度合成的Co-N-C催化剂表现出不同的催化活性,且经1000℃退火处理的CoTPP@BC-1000表现出最佳的电催化活性。在电化学催化后,经SEM与EDS确认催化剂在反应前后形貌与元素分布均表现出良好的稳定性。鉴于竹叶是中国常见的植物基原料,存储量大,未来研究可针对竹叶源生物基材料的深度开发与应用进行更加深入的研究,具有一定的理论与实验价值。     

无定形MoOx/C复合材料的制备与电催化析氢性能

钼基氧化物是典型的过渡金属氧化物,具有特殊的能带结构,是一种极具潜力的非贵金属电解水析氢催化材料。本研究利用溶液燃烧合成技术,以四水钼酸铵为钼源,葡萄糖为碳源,合成了无定形结构的MoO_x/C复合材料,研究了葡萄糖添加量对产物相态和显微结构的影响,评价了MoO_x/C的电催化析氢性能。研究表明,随葡萄糖添加量的增加,MoO_x的相态与形貌从粗大颗粒→细小颗粒和部分无定形态→完全无定形结构进行演变。当葡萄糖与钼源的摩尔比值为2.5时,可合成无定形结构的MoO_x/C复合材料,将其作为析氢催化剂,在0.5 mol/L H2SO4条件下的起始电位为132 mV,过电位(η10)为212 mV,塔菲尔斜率为84.9 mV/dec,具有良好的析氢催化性能和优异的循环使用稳定性,这归因于无定形结构提供了丰富的催化活性位点以及碳的引入提高了导电性和结构稳定性。     

Ni-Mo-Co合金电极制备工艺的研究

采用电沉积方法制备出Ni-Mo-Co三元合金电极,研究了沉积电流密度、镀液温度及镀液pH值等条件对合金电极析氢催化活性的影响.采用EDS和XRD分析合金电极的化学组成和晶态结构.通过对极化曲线的比较分析得出最佳制备工艺条件为:电流密度15 mA/cm2,镀液温度25℃和pH值为10.该条件下制备的Ni-Mo-Co合金电极为非晶态结构,外观呈银白色,表面光滑致密,其化学组成为34.09%Ni、59.51%Mo、6.40%Co.在30%KOH 溶液中,其析氢过电位为η100=112mV,比Ni电极降低了352 mV,表现出良好的析氢催化活性.     

电沉积制备Ni-Fe/TiO2复合电极及其析氢催化性能

通过电沉积的方法制备了Ni-Fe/TiO_2复合电极,采用阴极极化曲线和电化学阻抗谱的方法对电极的析氢催化性能进行了分析。结果表明:Ni-Fe/TiO_2复合电极的析氢催化性能优于Ni-Fe合金电极,TiO_2微粒作为第二相粒子可以增大电极的比表面积;Ti原子可以与H形成Ti-H_(ads)氢键,加快H_(ads)生成;TiO_2微粒可与Ni-Fe合金形成H_(ads)的复合脱附效应,使电极的析氢催化性能得到提高。随着镀液中TiO_2微粒添加量的增大,电极的析氢催化性能先增强后减弱。     

单原子金催化剂用于燃料和化学品的低成本生产

<正>塔夫茨大学工程学院的研究人员与来自其他大学和国家实验室的人员一起设计并测试了一种新型催化剂,发现它有着可以大幅度减少燃料(氢气等)生产成本的潜力。这种催化剂是由一种特殊的结构构成:单个金原子通过氢和若干钠或钾原子结合,并被非反应性的硅材料所负载。研究人员在活动性和稳定性方面对比该催化剂与稀土元素和其他可还原氧化物负载组成的催化剂在生产高纯度氢气生产中的差别,得出该催化剂性能最佳。该项研究已被刊登在2014年11月27日版的《科学快讯》上,为生产可用于汽车等运输工具燃料电池的高品位清洁能源——氢气的研究指明了道路,即单活性中心负载金催化     

聚乙烯还原氧化镍制备Ni-C微粉析氢催化剂的研究

利用聚乙烯(PE)与Ni_2O_3混合后在氩气气氛下反应制备Ni-C微粉。探究质量混合比与反应温度对Ni-C微粉生成及性能的影响。采用同步热分析仪(TG-DSC)监测反应过程,Ni-C微粉的物相组成和微观形貌由XRD和SEM-EDS确定,Ni-C微粉析氢催化性能由电化学工作站测试(Parstat 3000A)。研究表明,PE与Ni_2O_3混合物在加热过程中PE熔化后与Ni_2O_3反应。温度高于1 073K条件下,固相产物由镍、碳单质组成。固相产物的镍含量随样品中Ni_2O_3含量升高而升高;温度升高使镍单质的团聚程度增大。样品PE/Ni_2O_3=1/3在1 073K下所得Ni-C微粉优于铂片的析氢催化性能,低于铂片电极的过电势。在1 000次循环伏安测试后仍保持了良好的析氢催化效果。     

金纳米粒子的催化特性及其应用

金纳米粒子的特殊性质产生于其特殊结构及特殊效应。负载或非负载型Au纳米粒子表现出极高的化学活性和催化性能，使其在化学工业中得到了广泛应用。用沉积或共沉淀方式将Au纳米粒子负载到金属氧化物载体上，在室温催化氧化C0为C02的效率比其它贵金属催化剂高得多；Au／Ti02催化剂在气相中能够高效率地催化氧化丙稀为环氧丙烷，选择性高达90％；Au纳米粒子催化剂在不饱和碳氢化合物的部分氢化反应中表现出良好的选择性：非负载型和负载型Au纳米粒子在液相反应中表现出独特的催化特性;Au/Fe2O和Au/ZrO2等负载型催化剂在低温水气转换制备氢气的反应中催化活性很高，而且载体的结晶度越高，催化活性越高。中对近年来Au纳米粒子的上述催化特性和应用进行评述。