过渡金属功能化硼、氮掺杂碳纳米复合材料的电解水制氢研究进展

可持续地制氢是实现未来氢经济的必要前提。近年来，过渡金属功能化杂原子掺杂碳纳米复合材料，因为其在电催化领域的优点，引起了研究者的广泛关注。其中，与其它杂原子掺杂或未掺杂的碳纳米复合材料相比，硼(B)、氮(N)杂原子共掺杂纳米复合材料在电解水制氢催化中表现出极大的优势。本综述重点介绍了近年来过渡金属功能化的B,N杂原子掺杂碳纳米复合材料的设计、制备、及其电解水制氢催化性能提高的策略。本文考虑了这些特殊结构的纳米材料作为潜在电催化剂的广泛应用。最后，对B,N掺杂碳纳米复合材料电催化剂的发展进行了展望。     

Li-O2电池过渡金属硫族化合物催化剂最新研究进展

环境污染和能源枯竭等问题对开发新的储能和转换装置提出了更高的需求。具有超高能量密度的Li-O2电池有望成为替代传统化石能源极具潜力的候选。但Li-O2电池滞后的反应动力学带来的实际能量密度低、稳定性不佳及倍率性能差等问题制约了其应用,因此迫切需要开发高效电催化剂来提高其滞后的反应动力学。过渡金属硫族化合物由于其类石墨烯结构特点以及本身优异的催化活性吸引了研究人员的广泛研究。本文介绍了过渡金属硫族化合物材料在非水系Li-O2电池催化剂方面的最新研究进展,包括过渡金属硫化物、硒化物、碲化物以及双过渡金属硫族化合物催化剂对Li-O2电池催化性能提高的影响,阐述了对过渡金属硫族化合物材料进行结构设计构建、相调控以及表面改性的方法,建立了其微观结构与氧还原和氧析出催化活性的联系,最后对过渡金属硫族化合物材料在 Li-O2电池中的进一步应用进行了展望。     

非金属掺杂对降低电解水制氢能耗的机理研究

理想的高效析氢电极材料应具有析氢过电位低、电催化活性高、导电性好、电化学稳定性好以及抗腐蚀性强等特点。铂族类金属被认为是目前最好的电催化剂,他们能够在非常接近热力学反应电动势的电压下实现析氢反应。但其稀缺性和昂贵的成本严重制约了它们的商业应用。因此,对于由高丰度元素组成的电催化剂的设计与制备成为当前析氢反应的研究热点。增加催化剂材料的活性位点数目和提高材料本身的导电性是优化金属硫属化合物电催化剂材料析氢性能拟解决的关键问题。     

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.     

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。     

MXene/磷化钴复合材料电催化制氢性能研究

针对传统电催化剂材料导电性差、活性位点易堵塞等问题,采用高导电性和优异亲水性的二维碳化钛钒(MXene)作为催化剂负载基底,在此基础上与具有高比表面积的金属有机框架衍生的磷化钴结合制备电解水制氢阴极材料。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、密度泛函理论计算(DFT)和电化学测试等手段,研究了复合电极材料的晶体结构、表面形貌特征、活性位点电子结构和电化学特性。结果表明,有机配体中的碳氮元素能有效调节电极材料中活性位点的电子结构,从而改善吸脱附动力学条件;二维MXene进一步降低了电极材料电荷转移电阻,所制备的催化剂在10 mA/cm²电流密度时仅需要114 mV的过电位,且长时间工作后依然保持稳定。研究结果为制备高性能非贵金属析氢催化剂提供了参考和思路。     

稀土合金电催化剂的研究进展

为了提高金属催化剂的性能,合金化提供了一种设计先进功能材料的有效方法。稀土合金可以将稀土元素独特的电子结构和催化行为整合到金属材料中,不仅提供了一个调整电子结构、活性组分催化活性的机会,还可以增强合金的结构稳定性,有望显著提高催化剂的催化性能。从其电子和催化活性的角度来看,稀土元素具有独特电子构型和镧系收缩效应,与稀土元素合金化会使合金具有更丰富的电子结构、活性和空间排列,从而有效地调整催化剂电化学过程的反应动力学。本文总结了稀土合金的组成、结构、合成方式及其在电催化领域的应用。同时,在此基础上对稀土合金电催化材料当前存在的挑战进行了总结并指出了其未来发展方向。     

新型蜂巢状的铱催化剂可将电解水制氢效率提高150倍

绿氢是指利用可再生能源来制取氢能,以满足未来全球的能源需求,其发展前景十分广阔。就目前来说,比较清洁、可持续的方式是利用电催化分解水制氢。但是,在反应过程中,催化剂的结构往往会发生变化,从而影响其反应性能。近日,一组科学家通过研究催化剂结构的改变对电解水制氢产生的影响.     

稀土铈在电催化水分解中的应用研究进展

氢气(H₂)热值高、无污染，可以有效缓解日益严重的能源和环境危机；高效的电解水催化材料可以极大地降低水分解成氢气和氧气的过电位，提升水的分解效率。稀土元素铈(Ce)具有较强的氧化还原能力，将Ce引入电解水催化材料中可大幅提高电催化材料的催化效率，目前该类材料已经得到了国内外学者的广泛关注。文中主要介绍了Ce在纳米颗粒修饰、骨架、氢氧化物以及金属有机框架等方面构筑电催化材料，归纳了国内外含Ce催化材料在析氢反应与析氧反应中电催化性能和机理的研究进展，针对Ce或其他稀土元素在电催化材料中的应用进行了展望。      

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。     

含Mo、V和碱金属的纯i-相多金属氧化物材料

公开了含有Mo和V以及任选选自元素周期表的镧系元素和过渡族元素以及元素周期表第3-6主族元素中的一种或多种元素的多金属氧化物材料。所述多金属氧化物材料在Li以外的碱金属存在下制备并具有i-相结构。还公开了使用本发明的多金属氧化物材料作为部分气相氧化催化剂的活性材料的用途。     

基于3d过渡金属的氧电极材料研究进展

氧还原催化剂及缓慢的阴极氧还原动力学是制约低温燃料电池商业化的关键瓶颈因素之一.非贵金属氧还原催化剂是近年来低温燃料电池最受关注的研究热点之一.在简要介绍燃料电池及氧还原反应机理的基础上,详细地综述了近年来低温燃料电池用3d过渡金属基氧还原催化剂的主要研究进展,包括过渡金属大环化合物、过渡金属-氮/碳类化合物、过渡金属硫族化合物和过渡金属氧化物,总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本以及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.     

钒酸钴纳米片的析氧性能研究

析氧反应(OER)是电解水制氢过程中的决速步，因此构建高效、低成本的非贵金属基OER电催化剂是实现氢能源高效制取的关键。通过两步水热法将Co元素引入到V₂O₅中，从而制备出了钒酸钴(Co₃V₂O₈)纳米片结构，Co元素的引入使纳米片暴露更多的活性位点，并提高导电性加快了电荷传输，因而可提高其 OER性能。形貌和成分表征结果显示所制备的催化剂为正交晶系的 Co₃V₂O₈纳米片结构。对该催化剂进行系统的 OER 性能研究，结果表明，Co₃V₂O₈催化剂产生 10 mA·cm^-2的析氧电流密度需要 364 mV的过电位，产生 100 mA·cm^-2的析氧电流需要过电位仅为 540 mV，对应的 Tafel斜率为 62 mV·dec^-1，此外，在经历 1000次循环测试后，该催化剂极化曲线不...     

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。     

电解水制氢电极材料研究获新进展

<正>近日,中国科学技术大学科研人员发展了一步法合成技术,成功实现了二硒化钴和二硫化钼材料的"化学嫁接",研制了析氢性能接近贵金属铂的水还原高效复合催化剂。氢气在风能、太阳能等可再生能源发展中起着重要作用,水是氢气的重要来源。因此电解水制氢是可持续发展的必由之路。然而在将水电解制氢的过程中,为了提升反应速率、减少电能损失,需要使用贵金属铂、氧化     

Pt基核壳结构质子交换膜燃料电池氧还原催化剂研究进展

质子交换膜燃料电池在电动汽车动力电源上有广泛的应用前景,其电催化剂的主要成分是Pt,Pt昂贵的价格限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用。Pt与3d族过渡金属合金能显著提升Pt催化剂的催化活性,但是活泼的过渡金属元素会在电化学过程和酸性环境下溶出,从而降低燃料电池的整体性能,Pt合金催化剂的稳定尚需提高。Pt基核壳结构催化剂由于成分和结构可调,在提高Pt基催化剂的Pt利用率、催化活性和稳定上有很大潜力,是质子交换膜燃料电池催化剂的研究热点之一。本文按照Pt基核壳结构催化剂的成分划分,从合成方法、结构设计与表征、催化活性、稳定性等方面综述了最近几年Pt基核壳结构催化剂的研究进展。已有研究显示通过控制催化剂纳米尺度的结构和成分分布,包括控制Pt壳层厚度、核与壳的成分、催化剂尺寸和形貌,设计多层核壳结构的催化剂和对催化剂进行后处理等途径,可以制备出各种结构的Pt基核壳结构催化剂,并对壳层Pt原子形成不同程度的电子转移效应和几何晶格应变,提高了催化剂的催化活性和稳定性。     

氢冶金还原性气体的制备研究进展

氢冶金是一种绿色低碳的冶炼工艺，是实现钢铁行业转型升级和改变高碳排放形象的有效途径。氢冶金是通过纯氢气或富氢气体替代传统焦炭直接还原铁，可实现CO₂减排。富氢还原性气体的制备是实现氢冶金的关键之一。对比分析了适合于氢冶金的规模化焦炉煤气制氢、天然气制氢、煤制氢和氨分解制氢技术的工艺及相关催化剂，探讨了包括电解水制氢在内的可再生能源制氢的途径。氢冶金技术需要的制氢技术日趋成熟，氢冶金也将成为未来钢铁行业升级改造的重点。     

Cu基催化剂电催化还原CO2的性能调控及其产物的研究进展

大规模碳排放造成生态恶化，如何解决该问题是目前的研究热点。利用可再生能源产生的电能能够将CO2电催化还原（eCO2R）为碳氢燃料或具有附加值的化学原料，该策略可同时缓解环境和能源问题，具有广阔的应用前景。成本低廉的过渡金属Cu对氢和氧的亲和力差，但具有独特的电子结构，能将CO2还原为多种具有经济价值的碳产物，成为eCO2R的一种主要材料。然而，催化剂的尺寸、晶面、形貌结构和成分等显著影响eCO2R的活性和选择性。经过不断的改性研究，金属Cu衍生出的各种Cu催化剂由于活性和选择性的不同，使得不同催化剂之间的产物以及反应路径也有着很大的差别。本文基于这些因素对设计Cu基催化剂eCO2R进行总结研究。此外，系统总结Cu基催化剂eCO2R 的多种催化产物，并阐明 eCO2R 形成不同碳产物的可能路径与机理。最后，基于目前的研究重点与不足对 eCO2R 提出展望，以期为“双碳”目标的实现提供参考。     

稀土金属卡宾配合物化学研究取得进展

<正>在过渡金属有机化学中,金属卡宾配合物具有重要地位,它不仅对人们理解过渡金属和主族元素的成键具有重要理论意义,而且这类配合物具有一些优秀和独特的反应与催化性能。许多过渡金属卡宾配合物被合成和应用,但是稀土金属卡宾配合物是个例外。稀土金属离子的d轨道能级明显高于其它过渡金属的d轨道能级,造成稀土和     

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。