Peter Priecel
,
Hammed Adekunle Salami
,
Romen Herrera Padilla
,
Ziyi Zhong
,
Jose Antonio Lopez-Sanchez
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62475-0
尽管有关金纳米粒子催化的研究工作很多，但其中大多数都是采用传统的浸渍法将金盐负载到载体上、共沉淀或沉积-沉淀法制得负载的纳米粒子，但这些方法并未吸收最新的纳米技术。最近，金催化剂的研究者开发了在胶态悬浮液中制取金属纳米粒子，然后进行固载，从而使得单金属和双金属催化剂的催化活性和形貌控制取得较大进展。另一方面，最近十年出现了金纳米粒子合成的高级控制技术，得到了许多各向异性的金纳米粒子，且很容易制得新的形貌，可以控制纳米粒子的表面原子配位数和光学特性(可调的等离子体带)，这些都与催化密切相关。这些形貌包括纳米棒、纳米星、纳米花、树枝状纳米结构或多面体纳米粒子等。除了高度关注各向异性金纳米粒子的最新开发的制备方法和性质，本综述也清楚地总结了这些纳米粒子独特的催化性能，以及通过提供更高催化性能的金催化剂、控制暴露的活性位，以及热、电和光催化的鲁棒性和可调性，从而给多相催化领域带来令人惊奇的潜在变革。
关键词:
各向异性金属纳米粒子
,
金催化
,
光催化
,
电催化
,
催化氧化
,
胶状金纳米粒子
,
金纳米棒
,
金纳米星
,
溶胶固定
Mengyan NIE
,
Joanne M.Elliott
,
null
,
null
材料科学技术（英文）
Electrodeposition from a lyotropic liquid crystal template medium was used to produce nanostructured platinum microelectrodes with high specific surface area and high mass transport efficiency. Compared to polished and conventional platinized microelectrodes, well-ordered nanostructured platinum microelectrodes exhibited enhanced electrocatalytic properties for oxygen and ascorbic acid, whilst well-ordered nanostructured platinum microelectrodes offered improved electrocatalytic properties for oxygen reduction compared to disordered nanostructured platinum microelectrodes.
关键词:
Liquid crystal template
,
template
,
Mesoporous
,
Micro
王成名
,
柏嵩
,
熊宇杰
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60911-1
电催化已发展为一种涉及电化学、表面科学、材料科学和催化科学等众多科学分支的交叉学科和综合技术，在工农业生产、经济和国防建设、能源开发和环境保护等方面发挥了不可或缺的作用。金属纳米催化剂的可控合成和创新构建，极大地推动了电催化的广泛应用和巨大进展。过渡金属尤其是贵金属Pt、Pd等电催化剂，在电催化中表现出良好的选择性、活性和稳定性，很难完全被其他材料所取代。制约电催化可持续发展的瓶颈问题是，如何设计、合成和构建高性能低成本的金属纳米催化剂。为实现这一目标，人们付出了大量的努力并取得了一些可喜的进展。电催化是发生在电解质与电极材料表面和界面的异相催化反应，金属纳米电催化剂的性能与其形貌、结构、尺寸和组成相关。本文着力总结和探讨如何从表面工程和界面工程角度设计、合成和构筑金属纳米结构及其复合结构，以实现金属电催化剂性能和成本的双优化。本文提出了在金属纳米结构及其复合结构的设计、合成和构筑过程中需要考虑的几个重要的表面和界面因素，即表面面积、表面晶面、活性位点和界面结构等。首先，有效表面面积越大，越有利于电催化反应。我们总结了增大催化剂有效活性面积的四种有效方法，包括减小颗粒尺寸、制成薄层二维纳米结构、增大粗糙度、形成中空、多孔或介孔及框架结构等。其次，表面晶面也可决定电催化的性能。我们简单总结了低指数晶面和高指数晶面在表面能、晶面形成和催化活性上的“挑战与机遇”矛盾关系，并简要阐述了晶面选择性即晶面效应以及晶面与尺寸的依赖关系。再次，活性位点一般指的是低配位表面原子位点，是电催化反应的决定因素之一。我们描述了活性位点与表面和界面结构特征、纳米晶表面晶面、表面缺陷和空穴、表面面积和粒子尺寸等的依赖关系。最后，界面结构工程是调控电催化性能的最丰稔因素。我们简述了界面结构的形成、分类及其对优化界面活性位点的成分和几何结构、表面悬键和原子配位数、电子结构与电子传递、质子传输和物种交换等方面调控作用，并在界面工程的基础上推介了贵金属基复合结构的合成、组装的几种典型方式。本文以具体示例的形式，分别从表面工程和界面工程的角度，扼要介绍了本课题组最近在甲酸氧化、氧还原、析氢等电催化反应体系中贵金属基纳米结构及其复合纳米结构电催化剂的设计、合成与构筑的具体做法。我们分别介绍了低指数晶面和高指数晶面的表面设计对于提高催化剂性能的关键作用。对于低指数晶面，我们重点介绍了如何获得相似尺寸的不同表面晶面以研究其晶面效应，如何维持相同晶面调节尺寸以研究其尺寸效应，如何建造与电极有良好电学接触的低指数晶面纳米结构，以利于提升其电催化性能。对于高指数晶面，介绍了几种形成高指数晶面的途径，并阐明了其晶面对电催化性能的影响。另一方面，我们从金属纳米结构及其复合结构的成分和结构调控策略介绍了界面构建对于提升电催化性能的奇妙作用，包括建造多金属纳米结构、与二维材料负载组装和利用界面极化。由此，本文总结了表面和界面工程对于电催化剂设计、合成和构筑目前面临的三个关键挑战。
关键词:
合成
,
表面工程
,
界面工程
,
电催化
,
复合结构
Tayebe Rostami
,
Majid Jafarian
,
Somaieh Miandari
,
Mohammad G. Mahjani
,
Fereydoon Gobal
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60959-7
在NaOH溶液(0.1 mol/L)中考察了Ni, Co和Cu二元和三元合金修饰的石墨电极上甲醇电氧化反应性能.采用循环伏安法、计时电流法和电化学阻抗谱(EIS)等技术研究了修饰电极的催化活性和协同效应.这些催化剂在含有Ni, Cu和Co离子溶液的阴极电位上反复浸渍石墨电极制得.结果表明,在甲醇存在下, Ni基三元合金修饰电极(G/NiCuCo)对甲醇氧化反应的响应值明显高于其它样品.阳极峰值电流与扫描速率的平方根呈线性关系,表明该过程受扩散控制.在CA区域,该反应遵循Cottrellin特性,甲醇扩散系数为6.25×10–6 cm2/s.甲醇氧化反应速率常数为40×107 cm3/(mol·s).另外,采用EIS研究了修饰电极表面上甲醇催化氧化反应.
关键词:
甲醇电氧化
,
电催化
,
协同效应
,
镍
,
修饰电极
马先斌
,
冯媛媛
,
李扬
,
韩运石
,
鹿国萍
,
杨海芳
,
孔德生
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60863-4
钯基纳米材料是甲酸电氧化反应的优良催化剂.本工作制备了两个系列钯基催化剂,并考察了聚苯胺对钯上甲酸电氧化反应的助催化作用.一种是以聚苯胺为基底,在其表面电沉积钯纳米粒子,制得nPANI/Pd催化剂(n表示聚合苯胺的循环数)；另一种是直接在商业Pd/C催化剂表面电聚合苯胺,制得Pd/C/nPANI催化剂.结果显示,聚苯胺单独存在时对甲酸电氧化反应没有催化活性,但其可对钯上甲酸电氧化反应呈现明显的促进作用,且促进作用与聚苯胺的厚度(聚合循环数)密切相关.在两个系列催化剂中,15PANI/Pd和Pd/C/20PANI显示出最高的催化性能.15PANI/Pd中钯的质量比催化活性是纯钯催化剂的7.5倍； Pd/C/20PANI中钯的质量比催化活性和本征催化活性分别是商业Pd/C催化剂的2.3和3.3倍.钯催化性能的提升与聚苯胺和钯纳米粒子间的电子效应有关.
关键词:
钯
,
聚苯胺
,
电催化
,
甲酸电氧化反应
余金礼
,
刘天夫
,
刘海越
,
王毅
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62525-1
作为一种高级氧化技术(AOPs),芬顿氧化法(Fenton)因其操作简单、绿色高效而备受关注.其基本原理是Fe2+催化H2O2产生的羟基自由基(?OH)进攻有机物使之降解为无机小分子或盐.电芬顿法(Electro-Fenton,E-Fenton)是利用电化学方法原位生成H2O2的Fenton衍生法,其优点在于不需要从外界加入H2O2、高效节能、无选择性、并且易于和其他处理技术耦合,是一种非常有价值和应用前景的新型水处理技术.电芬顿技术的理论探究和工艺优化,是当今高级氧化技术的理论和实践研究的重要内容.E-Fenton过程的关键步骤是阴极材料上氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR)持续生成H2O2.由于析氢过电位高、稳定性好、性能优异,碳材料成为ORR反应最常用的电催化阴极材料.石墨毡作为一种三维多孔立体材料,具有电化学活性面积大、传质好、导电性强、价格低等优点,是ORR的理想阴极材料.聚苯胺材料作为一种导电高分子材料,价格便宜、加工性好、且含有丰富的N原子,在基础研究和实际应用领域都十分活跃.我们创新性地采用电聚合的方法合成了聚苯胺@石墨毡(PANI@GF)复合电极,并通过降解邻苯二甲酸二甲酯(dimethyl phthalate,DMP)研究了其在电芬顿过程中的电催化性能.通过扫描电镜、X射线光电子能谱分析对电极表面结构和杂原子掺杂性进行了物化表征.结果显示PANI@GF复合电极同时具有宏观和微观的三维多孔结构,这种结构蓬松的多孔结构为氧气提供了合适的传递通道和足够的反应面积.所制备复合电极中N原子含量约为1.9%,且吡啶N和吡咯N的含量相对较高.这些N原子来自聚苯胺分子中含有的大量N原子,并能够促进ORR反应.石墨毡和聚苯胺两种材料的在结构和组分上的特点,使得PANI@GF复合电极具有优异的电芬顿降解DMP的性能.在DMP浓度为50 mg/L、电位0.5 V(vs.SCE)、氧气流速为0.4 L/min的条件下,其DMP降解反应表观动力学常数达0.0753 min-1,是石墨毡电极表观动力学常数(0.0151 min-1)的5倍.PANI@GF复合电极制备的最优聚合时间和碳化温度分别为1 h和900℃.这是因为聚合时间太长,可能导致聚苯胺层厚度大,微孔结构被堵塞,进而降低了反应活性面积和影响氧气传质效果,使得电极性能下降;而聚合时间太短,可能导致电极复合不充分.高温碳化可以使石墨毡表面聚苯胺层形成更多的孔结构,从而有利于ORR过程.DMP降解过程中氧气流速、Fe2+用量以及pH值等工艺条件对电极性能有一定的影响,结果表明其相应的优化值分别为0.4 L/min、1.0 mmol/L和3.0.当氧气流速过低时,溶液中低浓度的溶解氧使ORR过程受传质过程限制,导致电极不能充分反应;当氧气流速过大时,并不会增加已经达到饱和的溶液中的氧气浓度,而过大的氧气速率会冲击电极表面,降低电极稳定性而影响其催化性能.对Fe2+.用量而言,E-Fenton过程有多种Fe循环途径,不同的铁含量对于电极性能影响不明显.因此,1.0 mmol/L的Fe含量足够满足实验需要.pH值对E-Fenton过程至关重要,pH较高时,铁离子会形成配合物,阻碍铁循环,并且会导致H2O2的分解,从而降低电极DMP降解性能;而当pH太低时,较多的酸增加成本,且需要后续处理过程以消除酸的影响.实验结果表明3.0是最优pH值,与传统Fenton方法的最适pH相符.PANI@GF复合电极具有高效催化降解DMP的能力,在电芬顿技术处理有机废水中有潜在应用.
关键词:
电催化
,
氧还原
,
电聚合
,
电芬顿
,
DMP降解
杜诚
,
高小惠
,
陈卫
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61059-2
面对日益严重的全球能源危机，燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注。燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应，并将其化学能转换为电能的新型装置。在燃料电池中，由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低，目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应。但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降，使得燃料电池的整体成本过高，从而阻碍了燃料电池的实际商业化。为此，人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂。找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一。近年来，人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性。然而，作为一种最常见的金属元素，金属铜在氧还原催化剂方面研究较少。人们发现一些生物酶，如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原，如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 mV的过电位，与金属铂(约200 mV)相比基本可忽略。通过研究这些活性生物酶，人们发现其活性中心均为含Cu的物质。进一步研究这些生物酶的活性位点，然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点，以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应。
本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展，首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念，主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标。氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较。随后，我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状。根据铜基催化剂的不同类型，我们主要分为三个部分进行介绍：(1)铜的复合物，这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍；(2)铜的化合物，这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物；(3)其它铜基催化剂，这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂，以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用。最后，通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展，我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望。继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重，只有完全理解了酶的催化机理，才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟，从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂。希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况，以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向。
关键词:
铜
,
非贵金属
,
电催化
,
氧还原反应
,
燃料电池
杨恒攀
,
吴腊霞
,
王欢
,
陆嘉星
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61075-0
CO2作为主要的温室气体, CO2固定利用引起了广泛的关注,同时它还是一种丰富无毒的 C1资源,将其作为原料合成高附加值的化学品,不仅可以缓解温室效应,而且还可以缓解能源危机,具有重要的经济和战略意义.在 CO2的资源化利用中,制备2-苯基丙酸意义重大.2-苯基丙酸是一种重要的医药中间体,可用于合成布洛芬、酮洛芬等用途广泛的药剂.因此,其制备方法引起了人们的广泛关注.
在典型的合成2-苯基丙酸均相催化体系中,经常使用Co, Ni和Pd等过渡金属催化剂,虽然得到的目标产物产率较高,但催化剂成本高,且很难循环使用,从而限制了其实际使用.
电催化法为2-苯基丙酸的合成提供了一条新的途径.本课题组利用手性钴配合物作为催化剂电羧化不对称合成了手性2-苯基丙酸,其产率和 ee值分别为37%和83%.此外,我们还制备了 Co负载的纳米 Ag电极,以其为工作电极不对称羧化1-溴乙基苯与 CO2反应,得到目标产物2-苯基丙酸的产率为58%, ee值为73%.
在前期工作的基础上,本文利用无负载的纳米银电极(Ag NPs)为工作电极,电催化1-溴乙基苯与 CO2羧化制备2-苯基丙酸.银纳米电极是利用水合肼还原 AgNO3溶液经抽滤、干燥、压片而成.为了研究 Ag NPs催化 CO2与1-溴乙基苯反应,在一室型电解池中,以 Ag NPs为阴极,镁电极为牺牲阳极,以 CH3CN-TEAI (0.1 mol/L)溶液为电解质溶液,底物浓度为0.1 mol/L,饱和 CO2的氛围下进行恒电流电解,经后处理,可得目标产物2-苯基丙酸.为了提高2-苯基丙酸的产率,我们探讨了工作电极、电解电量、电流密度以及反应温度等条件对反应的影响,从而得到优化条件为反应温度0℃、电解电量2.5 F/mol、电流密度5 mA/cm2,此时2-苯基丙酸的产率可达98%.
在优化条件下,我们还研究了一系列苯基卤代物,如溴化苄、溴苯、α-溴苯乙酸、2-溴代萘、二苯基溴甲烷和1-氯乙基苯的电羧化反应.反应后可以得到相应的羧酸,并取得较好的收率(67%?88%).结果表明,纳米银电极对催化该类反应具有很好催化活性和普适性.本文所采用的条件都比较温和,无需高温或高压.
在最优条件下,所制纳米银电极可重复使用至少10次,且保持催化活性不变.经过 X射线衍射和扫描电镜表征发现,重复使用后纳米银电极的组成和微结构都保持不变.因此,该纳米银电极具有制备方法简单、催化活性高,稳定性好等特点,具备一定的应用前景.
关键词:
电催化
,
电羧化
,
二氧化碳
,
苄基溴化物
,
纳米银粒子
李小花
,
万凯
,
刘全兵
,
朴金花
,
郑育英
,
梁振兴
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62498-1
燃料电池中贵金属铂的大量使用是阻碍其发展的关键因素,亟需探索高效廉价的替代型电催化剂.在目前的替代型非贵金属催化剂研究中,氮杂炭材料是一类氧还原反应催化活性最好、成本最低廉的催化剂,被认为是最有可能取代Pt催化剂而获得实际应用的催化剂.氮杂有序介孔炭材料因具有极高的比表面积和规整的孔道结构,可实现活性位点的密集组装与反应物料的快速传输,受到研究者的广泛关注.本文分别以苯胺、吡咯和邻菲罗啉为含氮前驱体,介孔分子筛SBA-15为硬模板,采用纳米浇铸法成功制备了具有高比表面积的氮杂有序介孔炭材料,系统研究了不同含氮前驱体对氮杂有序介孔炭材料的影响.采用氮气吸附-脱附等温线、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等方法研究了氮杂有序介孔炭的组成与结构,采用循环伏安法(CV)以及线性扫描伏安法(LSV)等手段考察了其电化学行为与氧还原反应极化性能.氮气吸附-脱附等温线结果表明,采用三种不同含氮前驱体制备的氮杂炭材料都对应Ⅳ型吸脱附等温线以及H4型滞后环,表明所制备的氮杂炭材料具有介孔结构.由TEM可以清楚地观察到氮杂炭材料已经成功地反转了SBA-15模板的孔道结构.同时发现,含氮前驱体对氮杂炭材料的比表面积和孔结构产生较大影响:以吡咯和邻菲罗啉为前驱体制备的炭材料C-PY-900和C-Phen-900的比表面积较高,分别为765和746 m2/g,而以苯胺为前驱体制备的炭材料C-PA-900比表面积较小(569 m2/g);三种炭材料平均孔径大小顺序为C-Phen-900 (3.7 nm)＜ C-PY-900 (5.0 nm)＜ C-PA-900 (5.9 nm),这是由于不同含氮前驱体在高温焙烧过程中热分解行为不同所致.XRD结果发现,含氮前驱体对氮杂炭材料的晶型基本没有影响,均为无定形碳.XPS结果表明,采用苯胺、吡咯以及林菲啰啉为前驱体制备的氮杂炭材料中氮含量基本相同,分别为3.13 at％,3.32 at％和3.33 at％,说明在相同热解条件下材料中的氮含量基本不受前驱体的影响,但不同配位环境的氮含量以及氮活化碳原子的含量却有较大差异,其氮活化碳原子的相对含量分别为15.60％,19.87％和23.04％.电化学测试结果表明,三种氮杂介孔炭材料的氧还原反应电催化活性顺序为C-PA-900＜C-PY-900＜C-Phen-900,其H2O2产率低于30％,说明氧还原反应经历4电子转移路径.在碱性条件下,所制氮杂有序介孔炭材料C-PY-900和C-Phen-900表现出较商品Pt/C催化剂更加优异的氧还原反应电催化性能.综上可见,通过改变含氮前驱体的类型可以有效调变氮杂炭材料的比表面积、孔道结构以及N 1s与C 1s化学态,从而调控氧还原反应活性,本文不仅制备出高活性的非贵金属氧还原电催化剂,同时也为高活性炭基电催化剂的可控制备提供了思路.
关键词:
电催化
,
燃料电池
,
氮杂有序介孔炭
,
氧还原反应
,
前驱体
