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碳包覆纳米材料应用于电催化氧还原反应研究进展
1
作者 薛景伟 张云阁 +1 位作者 吴耿煌 荣峻峰 《石油学报(石油加工)》 北大核心 2025年第2期518-531,共14页
电催化氧还原反应是燃料电池等清洁能源技术的关键反应,工业上目前普遍采用的是Pt/C催化剂,但Pt/C催化剂存在成本高、稳定性差等问题,亟需开发低成本、稳定高效的氧还原催化剂。碳包覆纳米材料在催化过程中碳壳可以保护金属纳米颗粒,避... 电催化氧还原反应是燃料电池等清洁能源技术的关键反应,工业上目前普遍采用的是Pt/C催化剂,但Pt/C催化剂存在成本高、稳定性差等问题,亟需开发低成本、稳定高效的氧还原催化剂。碳包覆纳米材料在催化过程中碳壳可以保护金属纳米颗粒,避免金属纳米颗粒出现腐蚀、脱落以及团聚等情况,表现出优异的稳定性,已经被广泛应用于催化加氢和电催化氧还原等反应。概述了碳壳与金属内核之间的相互作用,包括碳壳的保护作用、碳壳与金属内核之间的电子作用。梳理了近年来碳包覆非贵金属/贵金属纳米材料应用于电催化氧还原反应的研究进展,着重介绍了提高催化活性的优化策略,主要包括杂原子掺杂、内核金属合金化以及结构优化。最后,对碳包覆纳米材料当前存在的问题进行了归纳,同时指出精确调控碳壳、探索碳包覆多元合金的制备以及优化碳包覆材料的制备方法是碳包覆材料未来的发展方向。 展开更多
关键词 碳包覆材料 稳定性 氧还原反应 非贵金属催化剂 Pt基催化剂
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高熵合金在电催化氧还原反应中的应用及发展 被引量：1
2
作者 何小波 丁露 +1 位作者 银凤翔 李国儒 《常州大学学报（自然科学版）》 CAS 2024年第1期27-38,共12页
开发用于氧气还原反应(ORR)的高效催化剂是提高燃料电池和金属-空气电池性能的关键。然而,ORR是动力学缓慢反应,存在着很高的过电势,从而降低了燃料电池和金属-空气电池的能量转换效率。高熵合金是由5种或5种以上金属元素等(近)物质的... 开发用于氧气还原反应(ORR)的高效催化剂是提高燃料电池和金属-空气电池性能的关键。然而,ORR是动力学缓慢反应,存在着很高的过电势,从而降低了燃料电池和金属-空气电池的能量转换效率。高熵合金是由5种或5种以上金属元素等(近)物质的量比形成的一种新型合金材料。凭借其独特的组分与结构优势,高熵合金能够高效加速ORR、降低ORR过电势,表现出对ORR的显著催化作用。文章主要综述了高熵合金的结构、性能特点、制备方法以及在催化ORR方面的应用,并提出了挑战和发展展望。 展开更多
关键词 催化剂 电催化 高熵合金 氧还原反应
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“蛋黄蛋壳”结构及表面修饰的低铂合金催化剂氧还原性能
3
作者 陈浩 厉宸威 +1 位作者 魏光华 章俊良 《柴油机》 2025年第2期25-33,共9页
通过奥斯特瓦尔德熟化和乙二醇热还原法合成“蛋黄蛋壳”结构的PtCu催化剂,以及表面改性后的Mn和Cr催化剂。基于电化学活性测试,“蛋黄蛋壳”结构的PtCu催化剂的质量比活性和面积比活性分别为商业Pt/C催化剂的4.8倍和6.4倍。此外,催化... 通过奥斯特瓦尔德熟化和乙二醇热还原法合成“蛋黄蛋壳”结构的PtCu催化剂,以及表面改性后的Mn和Cr催化剂。基于电化学活性测试,“蛋黄蛋壳”结构的PtCu催化剂的质量比活性和面积比活性分别为商业Pt/C催化剂的4.8倍和6.4倍。此外,催化剂的耐久性显著优于商业Pt/C催化剂,主要是由于高活性Pt(111)晶面的暴露。Mn和Cr的表面改性减少了高活性氧还原晶面的暴露,导致氧还原活性略有下降,但有效提高了耐久性。研究还进行了第一原理计算,并分析了氧还原过程中吉布斯自由能的变化,以及催化剂表面原子d带部分态密度。计算结果表明,Mn或Cr表面改性后反应热的绝对值降低,导致阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)活性降低和耐久性提高,这与实验结果高度一致。 展开更多
关键词 氧还原反应 低铂合金催化剂 奥斯特瓦尔德熟化 表面调控 第一性原理
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MOF衍生的Co_(x)Fe_(y)@NC电催化析氧和氧还原反应
4
作者 胡劲松 雷杰 史千喜 《安徽理工大学学报（自然科学版）》 CAS 2024年第1期53-60,共8页
目的通过提升金属有机框架(MOFs)衍生材料的双功能电催化析氧和氧还原能力,来解决金属电池中循环充放电问题,减少钌等贵金属消耗。方法利用Co、Fe双金属以沸石咪唑骨架(ZIF-8)为模板进行掺杂,同时加入1H-1,2,3-三氮唑有机配体进行室温搅... 目的通过提升金属有机框架(MOFs)衍生材料的双功能电催化析氧和氧还原能力,来解决金属电池中循环充放电问题,减少钌等贵金属消耗。方法利用Co、Fe双金属以沸石咪唑骨架(ZIF-8)为模板进行掺杂,同时加入1H-1,2,3-三氮唑有机配体进行室温搅拌,离心、干燥得到前驱体材料,煅烧前驱体材料最终得到Co_(4)Fe_(1)@NC碳材料。结果析氧反应中Co_(4)Fe_(1)@NC达到10mA·cm^(-2)电流密度仅需要1.52V;氧还原反应中Co_(4)Fe_(1)@NC半波电位为0.93V;两者电压之差为0.59V,低于单一金属Co或Fe衍生碳材料。结论采用Co、Fe双金属掺杂策略可以明显提升MOFs衍生催化材料双功能电催化析氧和氧还原能力,引入Fe元素有效调节了Co元素的电子结构,使其在析氧和氧还原过程中具有更好的氧物种吸脱附能力,因此,Co_(4)Fe_(1)@NC可作为潜在的金属空气电池负极材料。 展开更多
关键词 金属有机框架材料 CoFe双金属 析氧反应 氧还原反应
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非贵金属单原子催化剂在氧还原反应中的应用
5
作者 赵东江 《绥化学院学报》 2024年第12期142-148,共7页
单原子催化剂是一种新型催化材料,具有高的选择性、稳定性、催化活性等优点,可应用于氧还原、氢析出等催化领域。综述了第Ⅷ族铁系元素、部分副族和主族元素非贵金属单原子催化剂的制备方法、组成结构及其在氧还原反应中应用的研究进展... 单原子催化剂是一种新型催化材料,具有高的选择性、稳定性、催化活性等优点,可应用于氧还原、氢析出等催化领域。综述了第Ⅷ族铁系元素、部分副族和主族元素非贵金属单原子催化剂的制备方法、组成结构及其在氧还原反应中应用的研究进展,着重讨论了催化活性、稳定性和在锌-空气电池与燃料电池中的电性能,展望了非贵金属单原子催化剂在氧还原反应中的应用前景,提出了制备高性能单原子催化剂需要解决的问题。 展开更多
关键词 单原子催化剂 氧还原反应 锌-空气电池 燃料电池
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Pt_(3)Co高指数晶面氧还原过程的密度泛函理论研究
6
作者 刘磊 郭瑞华 +3 位作者 王丽 王艳 张国芳 关丽丽 《无机材料学报》 北大核心 2025年第1期39-46,I0001-I0005,共13页
Pt_(3)Co催化剂是Pt基合金中氧还原反应(ORR)活性最高的催化剂,合成Pt_(3)Co高指数晶面(HIFs)是一种提高其催化性能的有效策略,但具有最高ORR活性的HIFs尚未明确,并且目前缺乏对Pt_(3)Co HIFs ORR的系统研究。本研究构建了六种不同Pt_(3... Pt_(3)Co催化剂是Pt基合金中氧还原反应(ORR)活性最高的催化剂,合成Pt_(3)Co高指数晶面(HIFs)是一种提高其催化性能的有效策略,但具有最高ORR活性的HIFs尚未明确,并且目前缺乏对Pt_(3)Co HIFs ORR的系统研究。本研究构建了六种不同Pt_(3)Co HIFs,通过从头算分子动力学(AIMD)计算证明了其稳定性,通过密度泛函理论(DFT)计算了六种Pt_(3)Co HIFs的ORR过程中间物*O、*OH、*OOH的结合能(BE),通过d带中心(εd)、Bader电荷及配位数(CN)解释了其在台阶与边缘位点BE不同的原因。同时分析了吸附原子CN与εd的关系,通过ORR自由能台阶图分析了ORR过程中的过电位(η),发现η大小主要与*OH结合能(BE-*OH)有关,其中η最小的晶面为Pt_(3)Co(211),其在台阶处的η达到了0.294 eV。本工作为高ORR活性HIFs催化剂研发提供了一定的理论依据。 展开更多
关键词 Pt_(3)Co催化剂 高指数晶面 密度泛函理论 氧还原反应
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金属有机骨架(ZIF-8@ZIF-67)衍生的Co/N共掺杂碳基催化剂在氧还原反应(ORR)中的应用 被引量：5
7
作者 张亚婷 李思祎 +4 位作者 张娜娜 林港 王瑞琪 杨梦囡 李可可 《新型炭材料（中英文）》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期200-210,共11页
在燃料电池中,碳基氧还原反应(ORR)催化剂被认为是昂贵的铂基催化剂的潜在替代品。近年来,由过渡金属和氮原子共掺杂的碳基材料(M-N-C)以其低成本和优异的活性而受到研究人员的广泛关注。在此,通过精心设计的杨桃状MOF (ZIF-8@ZIF-67)... 在燃料电池中,碳基氧还原反应(ORR)催化剂被认为是昂贵的铂基催化剂的潜在替代品。近年来,由过渡金属和氮原子共掺杂的碳基材料(M-N-C)以其低成本和优异的活性而受到研究人员的广泛关注。在此,通过精心设计的杨桃状MOF (ZIF-8@ZIF-67)为前驱体,采用简单的一步热解法制备钴、氮共掺杂多孔炭材料(命名为Co-N@CNT-C800)。CoN@CNT-C800产生了大量碳纳米管(CNT),独特的三维结构保证了较高的比表面积和孔隙率,有利于ORR的传质和电子传递。同时,Co-N@CNT-C800在碱性介质中表现出优异的半波电位和极限电流密度,分别为0.841 V和5.07 m A·cm^(-2)。此外,与商用Pt/C材料相比,Co-N@CNT-C800还表现出优异的电化学稳定性和耐甲醇毒性。该策略为制备低成本、高活性的能量转换电催化剂提供了一种有效的方法。 展开更多
关键词 N掺杂 碳纳米管 金属有机骨架 电催化剂 氧还原反应
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B,N共掺杂富勒烯C_(70)作为氧还原和氧析出非金属电催化剂的理论研究
8
作者 杨思伟 黄旭日 《高等学校化学学报》 北大核心 2025年第4期70-79,共10页
采用密度泛函理论研究了B,N共掺杂富勒烯C_(70)[C_(68)B(n)N(m),n,m=1~5,分别代表B和N取代的C位点]的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)性能.结果表明,C_(68)B(n)N(m)在热力学上是稳定的,且其ΔG_(*O)OH和ΔG_(*O)与ΔG_(*OH)均呈良好... 采用密度泛函理论研究了B,N共掺杂富勒烯C_(70)[C_(68)B(n)N(m),n,m=1~5,分别代表B和N取代的C位点]的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)性能.结果表明,C_(68)B(n)N(m)在热力学上是稳定的,且其ΔG_(*O)OH和ΔG_(*O)与ΔG_(*OH)均呈良好的线性关系.其中,C_(68)B(4)N(2)与C_(68)B(5)N(2)催化剂的ORR过电位为0.45 V,与商业Pt催化剂相当;C_(68)B(4)N(1)的OER过电位最低(0.38 V),优于传统RuO_(2)催化剂(0.42 V),C_(68)B(1)N(3)也表现出与RuO_(2)相当的OER活性.通过精确调控B,N共掺杂位置,可显著降低ORR与OER过电位,提升C_(70)的催化性能.根据活性趋势图,C_(68)B(n)N(m)的最佳ORR和OER活性分别出现在ΔG_(*O)-ΔG_(*OH)=0.92 eV和ΔG_(*O)-ΔG_(*OH)=1.42 eV处.研究结果为设计和发现新的非金属碳基电催化剂提供了线索. 展开更多
关键词 非金属电催化剂 氧还原反应 氧析出反应 密度泛函理论
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卤族轴向配位原子对Fe-N_(4)位点氧还原活性调控机制的密度泛函理论研究
9
作者 徐昊 李若鹏 +2 位作者 杨培霞 刘安敏 白杰 《无机化学学报》 北大核心 2025年第4期695-701,共7页
采用密度泛函理论构建了不同卤族轴向配位原子修饰的碳载Fe-N_(4)位点(Fe原子与同一水平面的4个N原子配位成键)模型(Fe-N_(4)-F/C、Fe-N_(4)-Cl/C和Fe-N_(4)-Br/C),通过计算上述模型的态密度、Mulliken电荷、氧还原中间体吸附能以及氧... 采用密度泛函理论构建了不同卤族轴向配位原子修饰的碳载Fe-N_(4)位点(Fe原子与同一水平面的4个N原子配位成键)模型(Fe-N_(4)-F/C、Fe-N_(4)-Cl/C和Fe-N_(4)-Br/C),通过计算上述模型的态密度、Mulliken电荷、氧还原中间体吸附能以及氧还原自由能,深入研究卤族轴向配位原子对Fe中心电子结构和吸附行为的调控机理,明确不同卤族轴向原子与Fe-N_(4)位点氧还原活性之间的构效关系。计算结果发现,引入Br作为轴向配位原子可以有效优化Fe原子的电子结构,从而适当降低Fe中心对OH*中间体的吸附强度,促进OH*解吸反应顺利进行。与Fe-N_(4)/C模型相比,Fe-N_(4)-Br/C模型具有更低的决速步骤(即OH*解吸)反应能垒。因此预测卤族轴向配位原子修饰策略能够改善Fe-N_(4)位点的氧还原本征催化活性。 展开更多
关键词 氧还原反应 Fe-N_(4)位点 卤族轴向配位原子 电子结构 密度泛函理论
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揭示配体拓扑结构对Fe-N_(x)-C单原子催化剂表面氧还原反应中间体吸附的影响 被引量：1
10
作者 吴德贵 熊孝根 +2 位作者 赵中栋 宋树芹 丁朝斌 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第4期214-224,共11页
过渡金属单原子氮掺杂碳催化剂(TM-N-C SAC)因其更高的金属原子效率而被认为是提升氧还原反应(ORR)效率的重要途径.TM-N-C SAC反应中心的活性与配体结构密切相关,构建基于配体结构的ORR活性描述符是高效设计高催化活性单原子催化剂的关... 过渡金属单原子氮掺杂碳催化剂(TM-N-C SAC)因其更高的金属原子效率而被认为是提升氧还原反应(ORR)效率的重要途径.TM-N-C SAC反应中心的活性与配体结构密切相关,构建基于配体结构的ORR活性描述符是高效设计高催化活性单原子催化剂的关键.然而目前大多配体描述符基于催化剂的综合表观性质,如OH吸附能和金属中心d带中心等,其获取仍需进行额外计算,不利于通过配体结构快速推测反应活性;而目前基于配体结构拓扑参数,如金属中心原子及其配位原子属性、数量等设计的描述符存在对催化活性的描述较差或仅适用于特定配体等问题.解决该难题的关键在于理清OH与TM-N-C SAC成键的微观机制.本文全面考察了ORR中间体OH在21种具有不同氮原子数量、位置以及不同配体尺寸的卟啉型FeNxC SAC表面上的吸附机制.对有限尺寸卟啉型Fe-Nx-C(x=0-4)SAC模型上OH吸附的密度泛函理论计算结果表明,OH吸附能与SAC的配位氮原子的数量并不线性相关,且受氮原子排布方式的影响.利用能量分解分析(EDA)将OH与SAC的成键作用分解,重点讨论氮的掺入对静电作用、泡利排斥作用和轨道作用的影响.针对静电作用,Bader分析与电荷密度差值分析结果表明,氮的掺入一方面将电荷向配位原子上聚集,且配位原子上电荷数随氮原子数量增加而线性增加;另一方面大幅增强铁-配体键(Fe-L)的离子性,减少铁与配体间的电子密度,提高铁中心电子能量,并从而改变静电作用能量.对于泡利排斥作用,其影响因素与静电作用类似,因而作用强度与静电作用强度呈较好线性关系.对于轨道作用,结合扩展过渡态-化学价的自然轨道(ETS-NOCV)和电子定域化(LOL-π)等综合分析发现,氮原子的掺入破坏了配体的离域π键,从而影响OH与配体的轨道在成键时的相互作用.此外,对配体大小影响的研究表明,配体边缘原子仅当出现在包含配位原子的环上时才对OH与SAC成键有较大影响,这充分证明了OH吸附这一过程的局域性.综上,本文提供了Fe-N-C型SAC上完整的OH吸附键形成机制,强调了配位原子及其近邻原子对吸附活性的影响,为构建基于SAC拓扑特征的ORR活性描述符,实现SAC配体的快速筛选提供参考. 展开更多
关键词 单原子催化剂 氧还原反应 配体拓扑结构 能量分解分析 密度泛函理论
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电化学脱合金调控铂基氧还原催化剂表面结构的研究进展
11
作者 徐伟洪 武晓梅 +1 位作者 柯小行 隋曼龄 《北京工业大学学报》 北大核心 2025年第2期214-228,共15页
铂基纳米结构催化剂因其高活性而成为质子交换膜燃料电池阴极最有应用前景的氧还原催化剂。电化学脱合金能够通过调节铂基催化剂的表面结构提升催化剂性能,并且兼具简单易行、低成本等优点,成为优化铂基催化剂的有效手段之一。重点介绍... 铂基纳米结构催化剂因其高活性而成为质子交换膜燃料电池阴极最有应用前景的氧还原催化剂。电化学脱合金能够通过调节铂基催化剂的表面结构提升催化剂性能,并且兼具简单易行、低成本等优点,成为优化铂基催化剂的有效手段之一。重点介绍电化学脱合金在铂基催化剂的微结构调控中的应用研究进展。首先,对铂基氧还原催化剂的电化学脱合金机理进行了归纳总结;其次,从纳米催化剂(组分、粒径、表面暴露晶面)和电化学脱合金条件(电位、扫描速率、气氛)两大方面分析了电化学脱合金在铂基催化剂微观结构调控中的机理,并对其未来的研究发展进行了展望。 展开更多
关键词 燃料电池 铂基催化剂 氧还原反应 透射电子显微学 电化学脱合金 微结构
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应用于氧还原反应催化剂的研究进展
12
作者 丁瑞鑫 张达 +1 位作者 毕岚森 何燕 《材料科学与工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期153-165,共13页
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... 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。 展开更多
关键词 燃料电池 氧还原反应(orr) 电催化剂 贵金属 非贵金属 非金属
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富勒烯/金属卟啉析氢和氧还原双功能电催化剂的制备及性能
13
作者 董新宇 强晋源 +7 位作者 康锋 许哲 张荣乐 白秦玉 杨佳睿 陈扬 王海 冯永强 《精细化工》 北大核心 2025年第3期630-637,共8页
富勒烯(C_(60))与Fe基、Ni基四苯基卟啉(TPP)通过π电子体系的共轭效应实现了自组装,通过梯度退火工艺,制备了氮掺杂石墨碳负载FeNi合金纳米颗粒复合电催化剂(C_(60)/FeNiTPP-1)。采用XRD、SEM、TEM、XPS对C_(60)/FeNiTPP-1进行了表征,... 富勒烯(C_(60))与Fe基、Ni基四苯基卟啉(TPP)通过π电子体系的共轭效应实现了自组装,通过梯度退火工艺,制备了氮掺杂石墨碳负载FeNi合金纳米颗粒复合电催化剂(C_(60)/FeNiTPP-1)。采用XRD、SEM、TEM、XPS对C_(60)/FeNiTPP-1进行了表征,通过电化学测试对其析氢反应(HER)及氧还原反应(ORR)性能进行了评价。结果表明,C_(60)/FeNiTPP-1为HER和ORR双功能电催化剂,HER过程中,在浓度1.0 mol/L的KOH溶液中仅需164 mV的析氢过电势即可达到10 mA/cm^(2)的电流密度,并且催化稳定性能保持至少20 h;ORR过程中,C_(60)/FeNiTPP-1的半波电位为0.824 V(vs.可逆氢电极电势),且具有良好的稳定性和甲醇耐受性。 展开更多
关键词 富勒烯 金属卟啉 电催化剂 析氢反应 氧还原反应 有机电化学
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金属锑基硫族团簇的合成、结构及电催化氧还原反应性能
14
作者 王晓霞 郭娅楠 +2 位作者 苏峰 韩春 孙龙 《无机化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1201-1208,共8页
为探索金属硫族团簇材料的多样性结构及其光电应用,利用溶剂热法,以含孤对电子的金属Sb(Ⅲ)与硫元素采用不对称的配位几何方式结合,合成了Sb基硫族团簇化合物[Sb_(4)S_(5)(S_(3))]·C_(5)H_(11)N(1)和(C_(5)H_(12)N)_(2)[In_(2)Sb_(... 为探索金属硫族团簇材料的多样性结构及其光电应用,利用溶剂热法,以含孤对电子的金属Sb(Ⅲ)与硫元素采用不对称的配位几何方式结合,合成了Sb基硫族团簇化合物[Sb_(4)S_(5)(S_(3))]·C_(5)H_(11)N(1)和(C_(5)H_(12)N)_(2)[In_(2)Sb_(2)S7](_(2))。2种化合物分别由{SbS_(3)}或{InS_(4)}配位单元之间以顶点共享的方式组合而成。电催化氧还原反应(ORR)研究表明,化合物2的极限电流密度和半波电位均高于化合物1,表明其ORR性能更好。Koutecky-Levich图分析表明,由混合金属构筑而成的层状化合物2的ORR催化过程以四电子路径为主。 展开更多
关键词 金属硫化物 团簇化学 晶体结构 氧还原反应
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含CoN_(x)中心的石墨烯电催化氧还原反应机理研究
15
作者 张静 崔丹丹 +1 位作者 杨钧钰 刘一鸣 《分子催化（中英文）》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期550-559,I0003,I0004,共12页
采用理论计算方法深入研究了两种含三配位CoN_(x)(x=2,3)中心的石墨烯(CoN_(x)-G)催化剂在氧还原反应(ORR)中的催化机理.在这两种催化剂表面,ORR的最低能量反应路径遵循相同的机制:O_(2(ads))分子首先加氢还原为OOH_((ads)),随后OOH_((a... 采用理论计算方法深入研究了两种含三配位CoN_(x)(x=2,3)中心的石墨烯(CoN_(x)-G)催化剂在氧还原反应(ORR)中的催化机理.在这两种催化剂表面,ORR的最低能量反应路径遵循相同的机制:O_(2(ads))分子首先加氢还原为OOH_((ads)),随后OOH_((ads))加氢解离为两个OH_((ads)),最终OH_((ads))继续加氢还原为产物水.在CoN_(2)-G上,整条反应路径中OH_((ads))还原为H2O(ads)具有最高能垒;而在CoN_(3)-G表面,O_(2(ads))还原为OOH_((ads))具有最高能垒.相比CoN_(2)-G,CoN_(3)-G具有较低的最高势垒,更佳的结构对称性,更负的形成能,且在ORR过程中Co中心始终保持正电荷,有利于含氧中间体的活化.因此,CoN_(3)-G表现出比CoN_(2)-G更优良的ORR催化性能,归因于配位的三个N原子对Co位点电子结构的优化以及体系稳定性的增强. 展开更多
关键词 CoN_(x)-G催化剂 催化机理 反应势垒 氧还原反应 密度泛函理论
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MOF衍生的Fe-N-C电催化剂,用于高效氧还原反应
16
作者 张景涛 王奎 +3 位作者 刘乐 任杰 杨浩伟 闫晓丽 《功能材料》 CAS CSCD 北大核心 2024年第8期8103-8110,8127,共9页
由于传统能源的大量消耗与环境污染等问题,探索高效清洁的新型能源显的越来越重要。锌空电池作为一种绿色清洁能源受到了广泛的关注,然而其阴极氧还原(ORR)反应较为缓慢限制了其大规模应用。因此开发一种高效、绿色经济的非贵金属催化... 由于传统能源的大量消耗与环境污染等问题,探索高效清洁的新型能源显的越来越重要。锌空电池作为一种绿色清洁能源受到了广泛的关注,然而其阴极氧还原(ORR)反应较为缓慢限制了其大规模应用。因此开发一种高效、绿色经济的非贵金属催化剂对氧还原反应至关重要。以金属-有机骨架(MOF)作为前驱体,通过高温热解合成了铁基氮掺杂碳电催化剂(Fe-N-C)。Fe-N-C催化剂由于其较强的金属-氮配位结构可以避免金属原子的聚集和溶解,使金属原子均匀分散在氮掺杂的碳载体上,实现较高的ORR性能。制备的Fe-N-C-2催化剂具有丰富的孔隙结构和大量的Fe-N X活性位点。其在碱性电解质中半波电位为0.91 V,在酸性电解质中半波电位为0.75 V。同时将其应用于锌空电池具有高达1.47 V的开路电压和163.1 mW/cm^(2)的功率密度。该策略为设计二维结构以构建高性能电催化剂提供了一种有前途的方法。 展开更多
关键词 非贵金属催化剂 金属-有机框架 Fe-N-C 氧还原反应 锌空气电池
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Co-N-C氧还原反应电催化剂的制备及性能研究 被引量：1
17
作者 宋昱扬 张文彪 高庆生 《复旦学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期199-208,215,共11页
锌空气电池可作为一种无污染、长效、稳定可靠的电源,但其阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)缓慢的动力学过程严重阻碍了大规模应用。本文通过表面活化策略在炭黑上构筑不饱和位点用于锚定Co,再以不同质量比的尿素作为氮... 锌空气电池可作为一种无污染、长效、稳定可靠的电源,但其阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)缓慢的动力学过程严重阻碍了大规模应用。本文通过表面活化策略在炭黑上构筑不饱和位点用于锚定Co,再以不同质量比的尿素作为氮源,制备了不同氮掺杂量的催化剂,并测试了一系列催化剂的ORR活性,及其在不同电解液中活性的差异。将催化剂用于组装锌空气电池,开路电压达1.441 V,并表现出良好的放电性能,峰值功率密度可达123.5 mW·cm^(-2)。 展开更多
关键词 氧还原反应 钴基氮掺杂碳催化剂 锌空气电池
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二次热解优化的氮掺杂多孔碳催化氧还原反应研究
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作者 彭兴开 李兰兰 《河北工业大学学报》 CAS 2024年第4期51-59,66,共10页
利用二次热解制备了氮掺杂碳基无金属催化剂。研究发现:制备的催化剂在碱性环境中,半波电位高达0.905V,且经10000圈加速耐久试验后,半波电位仅衰减8 mV;由该催化剂组装的锌-空电池表现出180 mW·cm^(-2)的功率密度。实验结果表明,... 利用二次热解制备了氮掺杂碳基无金属催化剂。研究发现:制备的催化剂在碱性环境中,半波电位高达0.905V,且经10000圈加速耐久试验后,半波电位仅衰减8 mV;由该催化剂组装的锌-空电池表现出180 mW·cm^(-2)的功率密度。实验结果表明,二次热解一方面会形成更多微孔,增加材料的比表面积,促进活性位点的有效暴露。另一方面,二次热解可以促进催化剂石墨化程度提高,从而减缓了碳腐蚀,避免氧还原过程中掺杂氮的大量流失,进而提高催化剂的稳定性。 展开更多
关键词 碳基无金属催化剂 氧还原反应 氮掺杂 稳定性 锌-空电池
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原位构筑三维有序自支撑Co-N-C一体化电极并用于高效电催化氧还原反应
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作者 陈瑞 方翔 +5 位作者 张东方 赫兰齐 吴胤龙 孙成华 王昆 宋树芹 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第6期237-246,共10页
开发高效非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂是降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)成本,实现其大规模商业化应用的关键.目前,过渡金属-氮-碳(TM-N-C)被认为是最有希望替代Pt的非贵金属催化剂.然而,尽管在半池测试中展现出较好的ORR性能,但当将... 开发高效非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂是降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)成本,实现其大规模商业化应用的关键.目前,过渡金属-氮-碳(TM-N-C)被认为是最有希望替代Pt的非贵金属催化剂.然而,尽管在半池测试中展现出较好的ORR性能,但当将其组装到PEMFC核心部件膜电极(MEA)中时,其单池性能远低于Pt/C催化剂.因此,未来需要进一步优化TM-N-C在全电池环境中的性能.本文提出了一种原位策略,成功构筑了TM-N-C三维有序一体化ORR电极.通过结合碳纸亲水处理和化学气相沉积技术,在含氧官能团修饰的碳纸(OCP)上原位构建了Co,N共掺杂碳纳米管(N-CNTs@Co)自支撑三维有序一体化电极.该独特的三维有序网络结构不仅使反应物(H_(2),O_(2)和H_(2)O)和质子(H+和e–)的传输通道处于有序状态,降低了实际工况条件下的浓差极化,还避免了催化层传统制备过程(如涂覆、喷涂和流延法)引起的催化剂活性位点团聚或包埋,从而提高了催化剂的利用率.X射线光电子能谱分析表明,优化后的一体化电极试样(N-CNTs-20@Co/OCP,其中20代表CNT生长时间为20 min)具有最高的吡啶N和石墨化N含量,而吡啶N和石墨化N被普遍认为是N掺杂碳材料在电催化ORR中的活性位点.因此,该N-CNTs-20@Co/OCP一体化电极在酸性(0.1 mol L^(‒1)HClO_(4))和碱性(0.1 mol L^(‒1)KOH)介质中均展现出与商用Pt/C(20 wt%)喷涂在CP(0.2 mgPt cm^(‒2))上制备的传统电极相当的ORR性能.密度泛函理论计算进一步揭示了其性能提升的机制:Co纳米颗粒被封装在碳纳米管内部并作为电子供体,通过电子隧穿效应,强化了N-CNTs@Co/OCP催化剂表面对氧的吸附,进而提高了电催化ORR性能.此外,封装在碳纳米管内部的Co纳米颗粒避免了与电解液的直接接触,从而显著提高了催化剂的稳定性.综上,本文不仅为基于非贵金属ORR催化剂三维有序一体化电极的构筑提供了有益的理论储备和实验技术积累,而且对于降低燃料电池成本以及推动燃料电池产业化进程提供了一定的参考. 展开更多
关键词 氧还原反应 一体化电极 非贵金属催化剂 化学气相沉积 Co N共掺杂碳纳米管
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缺陷型电催化剂在氧还原反应中的应用
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作者 刘雨 梅雪丽 +2 位作者 陈斌 谢洪涛 李怡招 《材料研究与应用》 CAS 2024年第6期934-945,共12页
氧还原反应(ORR)在现代能量转换和先进合成技术中扮演着至关重要的角色。对于燃料电池及金属-空气电池而言,ORR在提升能量效率和增强稳定性方面发挥着不可或缺的作用。此外,在绿色合成过氧化氢的过程中,ORR同样发挥着不可替代的作用。然... 氧还原反应(ORR)在现代能量转换和先进合成技术中扮演着至关重要的角色。对于燃料电池及金属-空气电池而言,ORR在提升能量效率和增强稳定性方面发挥着不可或缺的作用。此外,在绿色合成过氧化氢的过程中,ORR同样发挥着不可替代的作用。然而,ORR的缓慢动力学特性限制了这些技术的发展,因此需要合适的催化剂来调控和加速该反应变得尤为迫切。在众多催化剂中,贵金属催化剂因具有良好的导电性、高的电化学活性和优异的稳定性等优点而展现出较好的ORR性能,但这些催化剂因价格昂贵和地球储量低等限制了大规模应用的可行性。因此,探索和开发非贵金属基ORR催化剂,尤其是通过缺陷工程策略来对非贵金属催化剂的性能进行调控和优化至关重要。在深入阐述ORR机理的基础上,综述了含缺陷的非贵金属催化剂在ORR研究中的最新进展,分别探讨了边缘缺陷、空位、拓扑缺陷等本征缺陷及杂原子掺杂对催化活性的影响。同时,梳理了这些缺陷在促进特定电子转移路径中所起到的关键作用。此外,对单原子催化剂、双原子催化剂及金属氧化物中存在的缺陷在ORR中的应用潜力进行了综述。最后,对ORR催化剂的未来研究方向进行了展望,指出含缺陷非贵金属材料由于独特的结构和组成,在催化ORR中会展现出广阔的应用前景。 展开更多
关键词 氧还原反应 缺陷工程 过氧化氢 杂原子掺杂 碳基催化剂 金属氧化物 绿色合成 燃料电池
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