渤海大学化学与材料工程学院, 辽宁省全谱太阳能电池转光材料专业技术创新中心, 锦州 121013
以钼酸钠、硝酸铁、磷酸和三亚乙基四胺为原料, 采用水热合成法成功制备了一种还原型磷钼酸盐与FeⅡ构筑的超分子化合物, 其化学式为［C8H24N4］1.5［C6H22N4］1.5{Fe［Mo6O12(OH)3(PO4)3(HPO4)］2}·5H2O (1), 并通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射(PXRD)和红外光谱(FT-IR)对其结构进行了表征。结果表明, 该化合物是由{Fe［P4MoV6O31］2}22- (记为{Fe(P4Mo6)2})、质子化的三亚乙基四胺和质子化的N, N′-二(氨乙基)-哌嗪通过氢键相互作用连接形成的三维超分子结构。电催化性能的研究表明, 化合物1对铬离子(CrⅥ)、铁离子(FeⅢ)、溴酸钾(KBrO3)和抗坏血酸(AA)具有良好的电化学传感性能和低检测限(LOD)。
还原型磷钼酸盐 超分子结构 电催化性能 水热合成法 晶体结构 reduced phosphomolybdate supramolecular structure electrocatalytic performance hydrothermal synthesis method crystal structure
1 开封大学材料与化学工程学院，开封 475000
2 华北水利水电大学材料学院，郑州 450001
3 郑州大学材料科学与工程学院，郑州 450001
4 南京工程学院材料科学与工程学院，南京 210000
5 佛光发电设备股份有限公司，郑州 450001
对苯二酚(HQ)作为一种稳定剂和抗氧剂主要应用于工业领域，工业废水中对苯二酚的残留对人体及环境危害严重，因此，建立一种简单、准确检测对苯二酚的方法对食品安全和环境监测具有重要意义。本文构建了纳米氧化锌-高纯石墨/玻碳(ZnO-C/GC)复合材料电化学传感器，实验材料简单易得，成本低。利用原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学交流阻抗法(EIS)分析了纳米ZnO-C复合材料的结构特征、表面特征和导电性，采用循环伏安法(CV)实现了纳米ZnO-C/GC复合材料电化学传感器对对苯二酚的检测，探究了对苯二酚的电催化机理，该电化学传感器检测对苯二酚具有良好的稳定性和准确性，较宽的线性范围，检出限达到1.0×10-8 mol/L。
纳米复合材料 电化学传感器 氧化锌 对苯二酚 电催化 nanocomposite material electrochemical sensor zinc oxide hydroquinone electrocatalysis
海南大学材料科学与工程学院,南海海洋资源利用国家重点实验室,海口 570228
开发廉价高效的催化剂是发展电解水产业的关键。层状双氢氧化物（LDH）在电催化析氧反应中表现出优异的性能，但这类催化剂在析氢反应中表现出的电化学性能并不好。本文通过将Ag元素掺杂在NiFe-LDH纳米片阵列中，获得了优异的析氢性能。结果表明，在1 mol/L KOH溶液中，电流密度达到10 mA·cm-2所需的过电位仅为73 mV，且塔菲尔斜率为61.3 mV·dacade-1。在800 mA·cm-2的大电流密度下过电位仅为493 mV，明显低于商用铂碳催化剂。在长达30 h稳定性测试后仍保持90%以上电化学性能。催化性能的改善归因于Ag掺杂NiFe-LDH使纳米片尺寸减小和比表面积增加，有效提升产氢动力学并改善电子传输，从而优化NiFe-LDH的电催化析氢性能。
层状双氢氧化物 镍铁 银 掺杂 电催化 析氢反应 layered double hydroxide NiFe Ag doping electrocatalysis hydrogen evolution reaction
1 中国计量大学材料与化学学院，杭州 300018
2 河北民族师范学院，承德 067000
3 中国计量大学光学与电子科技学院，杭州 300018
近年来，通过光伏辅助电催化(PV-EC)分解水制备“绿氢”成为实现碳中和目标的关键。然而，普通电解水催化剂不能满足PV-EC系统中较高的太阳能到氢能(STH)转换效率的需求。因此，获取价格低廉、低反应过电势的电催化剂材料极为重要。本文选取具有高价态的过渡金属W作为掺杂源，采用一步电沉积方法制备出NiFeW三元金属磷化物。通过一系列的表征发现，NiFeW磷化物电催化剂表现出优异的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)活性，且作为双功能电催化剂时，在10 mA/cm2电流密度下W掺杂后样品的过电势降低了51 mV。使用NiFeW磷化物作为双功能电催化剂和太阳能电池(a-Si∶H/a-SiGe∶H/a-SiGe∶H)作为驱动源，PV-EC器件实现了超过7%的理论STH转换效率，对推动太阳能分解水制氢装置的实际应用具有重要意义。
电解水制氢 双功能电催化剂 光伏辅助电催化 太阳能电池 过渡金属磷化物 掺杂 electrocatalytic water splitting for hydrogen evol bifunctional electrocatalyst PV-EC solar cell transition metal phosphide doping
江苏大学 材料科学与工程学院, 镇江 212013
氨具有低成本、易液化和高体积能量密度等特点, 是一种有吸引力的无碳燃料, 用其制成的直接氨燃料电池也备受科研人员青睐, 却受限于阳极氨氧化缓慢的动力学过程。本工作采用无表面活性剂的简单方法通过纳米颗粒(NPs)自组装制备了三维多孔网络结构的PtIr合金气凝胶高效氨氧化催化剂。该结构提供了丰富开放的互联质子传输通道和额外的催化活性位点, 有助于氨电催化氧化中NH3分子的去质子化过程。当Pt和Ir物质的量比为80/20时, PtIr合金气凝胶展现出最优的氨氧化(AOR)催化活性。实验通过研究NH3浓度和工作温度对催化剂氨氧化性能的影响发现, Pt80Ir20合金气凝胶催化剂的AOR性能随着氨水浓度或温度的上升而增强, 如当氨水浓度为0.5 mol/L时, 合金催化剂在0.5 V电位下的质量比活性为44.03 A·g-1, 约是0.05 mol/L 氨水中的4倍。当温度上升至80 ℃ 时, 合金催化剂在0.5 V电位下的质量比活性为148.73 A·g-1, 约为25 ℃下的12倍。在此温度变化区间, 其AOR起始电位下降了40 mV。利用Arrhenius方程计算发现, Pt80Ir20合金气凝胶催化剂的AOR反应活化能比商业Pt/C催化剂降低了~9.43 kJ·mol-1。此外, 催化材料的稳定性测试结果表明, Pt80Ir20合金气凝胶催化剂经2000次循环伏安测试后的峰值质量比活性损失为~50.6%, 优于商业Pt/C催化剂(~74.9%)。
自组装 PtIr合金 气凝胶 电催化氨氧化反应 self-assembly PtIr alloy aerogel electrocatalytic ammonia oxidation reaction
中国科学院化学研究所有机固体实验室，北京 100190
碳基材料一直被认为是替代贵金属氧还原反应(ORR)催化剂的最有潜力的材料。其中，石墨炔作为一种新的碳同素异形体，由于同时具有sp和sp2杂化的碳原子以及单原子层厚度的二维平面结构，因此在具有碳基材料固有的导电性和稳定性的同时，石墨炔基材料表现出更高的本征电化学活性。本文综述了目前用于电化学氧还原催化的各种石墨炔基催化材料合成的最新进展和成果，并从其电子结构和催化活性等角度分析了石墨炔基碳材料在氧还原催化应用方面的优势。最后，对石墨炔基碳材料在电化学氧还原催化方面研究的前景和面临的挑战进行了概述，为实现高质量石墨炔基无机非金属氧还原催化剂的设计合成提供了新的思路。
石墨炔 催化剂 电催化 氧还原反应 能量转换 graphdiyne catalyst electrocatalysis oxygen reduction reaction energy conversion
海南大学材料科学与工程学院, 南海海洋资源利用国家重点实验室, 海口 570228
开发高催化活性和廉价催化剂是催化分解水制氢技术的关键。过渡金属氮化镍(Ni3N)具有优异的热/化学稳定性、电化学活性和类贵金属特性, 吸引了越来越多研究者的兴趣。然而, Ni3N碱性电催化析氢反应过程中, 水的解离效率低, 且对反应中间体质子的吸附太强, 这两个因素导致Ni3N的性能远低于Pt, 还有很大的改进空间。本文通过水热-氮化两步法成功制备了Ru掺杂多孔纳米片Ni3N/Ru。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Ni3N/Ru材料的组成、形貌和结构进行表征, 通过X射线光电子衍射仪(XPS)对催化机理进行分析, 并研究Ru掺杂量对Ni3N材料形貌和电催化性能的影响。结果表明, 6.30%Ru负载的Ni3N在1 mol/L KOH电解液中驱动10 mA·m-2的电流密度仅需要49 mV过电位, 可以和商业Pt/C相媲美(46 mV@10 mA·cm-2)。将其应用于两电极全解水体系, 仅需1.54 V的电压即可获得10 mA·cm-2的电流密度。突出的催化性能归因于Ru掺杂Ni3N有效提升水解离, 并使Ni3N中Ni和N的电子云密度降低, 促进吸附氢中间体的形成过程(H++e-= H*), 改善析氢反应动力学, 进而提升其电催化性能。
Ru掺杂 电催化析氢 电催化析氧 电催化性能 全解水 Ni3N Ni3N Ru doping electrocatalytic hydrogen evolution electrocatalytic oxygen evolution electrocatalytic performance overall water splitting
海南大学材料科学与工程学院, 南海海洋资源利用国家重点实验室,海口 570228
电催化制氢通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)同时产生氢气(H2)和氧气(O2), 是一种高效且环境友好的产氢方式。但现阶段商业化的高效催化剂价格昂贵且储量较少, 限制了电解水技术的大规模应用。因此, 开发低成本、高稳定和环境友好的高效电催化剂, 特别是基于非贵金属材料的磷化物电催化剂, 成为近期研究热点。本研究通过水热和相对较低的磷化温度成功制备出了具有镂空纳米花结构的Mo掺杂Ni5P4催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Mo-Ni5P4催化剂进行了表征, 并研究了Mo-Ni5P4材料的电化学性能。研究发现, 所合成的催化剂凭借掺杂对电子结构的改变, 以及多孔纳米片的大表面积优势, 提高了HER水解离步骤的速率。在碱性电解液中, Mo负载下的Ni5P4仅需116 mV的析氢过电位就可实现10 mA·cm-2的电流密度, 同时析氧过电位只需255 mV。在双电极配置中仅需1.608 V的电池电压, 持续测试27 h后, 催化剂仍显示出良好的稳定性。
掺杂 电催化析氢 电催化析氧 电催化全解水 Ni5P4 Ni5P4 Mo Mo doping electrocatalytic hydrogen evolution electrocatalytic oxygen evolution overall water splitting
1 太原理工大学化学工程与技术学院, 太原 030024
2 太原理工大学化学学院, 太原 030024
3 武汉工程大学化工与制药学院, 武汉 430205
金属有机框架材料(MOFs)是一种制备过渡金属-氮-碳(M-N-C)氧还原电催化材料的有效前驱体, 但在热解过程中结构坍塌等问题限制了其实际应用。本研究通过表面活性剂F-127包覆以及Zn掺杂对ZIF-67进行改性, 并对改性后的Zn-ZIF-67@F-127在氩气气氛下进行热解, 制得结构完整的Co-N-C载体。通过在Co-N-C载体表面进行Pt的负载, 制备了Pt/Co-N-C复合氧还原反应(ORR)催化剂, 并对其在碱性电解液中的ORR催化性能进行了探究。实验结果表明, F-127的加入提高了Zn-ZIF-67@F-127在热解过程中的形貌保持率, Pt/Co-N-C在O2饱和的0.1 mol·L-1 KOH中, 催化剂的起始电位、半波电位、极限扩散电流密度分别为1.027 V、0.836 V和5.51 mA·cm-2, 与商用20% Pt/C性能相近。Pt与Co-N-C的协同作用使得催化剂不仅对ORR的四电子路径显示出高选择性, 更在计时电流测试中表现出接近于商用20% Pt/C的稳定性与较商用20% Pt/C更优的抗甲醇性能。
Pt/Co-N-C电催化材料 氧还原反应 碱性电解液 抗甲醇性能 Pt/Co-N-C electrocatalytic material oxygen reduction reaction ZIF-67 ZIF-67 F-127 F-127 alkaline electrolyte methanol resistance performance
1 1.江苏科技大学 能源与动力学院, 镇江 212003
2 2.莫尔多瓦州立大学, 萨兰斯克430005, 俄罗斯
3 3.西安科技大学 材料科学与工程学院, 西安 710054
4 4.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
工业上应用哈伯工艺法合成氨过程要求严苛, 需要消耗大量能源且二氧化碳排放量大。因此, 开发在常规环境条件下通过电催化氮还原反应的清洁技术, 对未来可持续的能源转化进程具有重要意义。本研究采用密度泛函理论计算方法, 对TM1N4/TM2嵌入石墨烯的氮还原反应进行了全面研究。在充分考虑活性和稳定性的情况下, 研究结果表明, NiN4/Cr锚定石墨烯通过酶促反应途径表现出最佳的催化活性, 其中第一次加氢为电位决定步骤, 起始电位为0.57 V, 优于商业Ru基材料。此外, 与单一的Cr原子修饰的石墨烯相比, 引入NiN4官能团降低了ΔGmax并提高了电催化性能。根据Mulliken电荷分析, 催化剂的催化活性主要来源于载体和反应中间体之间的电子转移。上述结果为高效合成氨提供了电极候选材料, 进一步深化了相应的电催化机理。
氮气还原反应 石墨烯 密度泛函原理 电催化 热力学 nitrogen reduction reaction graphene density functional theory electrocatalysis thermodynamic
