《用于水分解和二氧化碳电还原的纳米结构双金属电催化剂的研究进展》

  • 来源专题:纳米科技
  • 发布时间:2020-10-22
  • 为了地球生态环境可持续发展,可再生能源的开发及过度碳排放的有害影响的消除,得到了世界各国的关注。为了解决这些问题,能量转换技术,例如水分解和二氧化碳电还原,引起了人们的极大关注。然而,目前绿色燃料或氢、甲烷、乙醇等高能量密度化学品的生产仍存在能耗高、选择性低、反应速率慢等缺点。因此,能够充分利用纳米级结构修饰的不同元素/组分间耦合效应的纳米结构双金属材料被认为是一种有前景的高性能电催化剂。本文综述了纳米双金属电催化剂的研究进展,首先介绍一些重要的关于反应机理的基本背景知识,以了解这些反应是如何发生的。然后,从双金属合金效应、双组分电催化剂的界面/基底效应和纳米结构效应三个方面,总结了纳米结构双金属电催化剂操控催化反应活性和选择性的最新进展。

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    • 来源专题:纳米科技
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    • 过氧化氢(H2O2)是一种绿色、可再生、环境友好的氧化剂,被广泛应用于环境修复、精细化工、电子工业等领域,被列为全球一百种最重要的化学物质之一。H2O2的工业生产主要依赖以氢气和氧气为原料的“蒽醌法”,然而该方法存在能耗高、原料和产物转移和储存困难、安全隐患严重等问题。通过电化学氧还原途径制备过氧化氢的新方法作为一种潜在的替代路径受到重视。目前电化学氧还原制备过氧化氢过程使用的催化剂主要是贵金属材料(Pd、Au、Ag、Pt-Hg等),因其储量有限、价格高昂,难以满足现代化工对绿色、环保和可持续发展的需求。而纳米碳材料有望作为贵金属催化剂的替代材料应用于电化学氧还原反应中。   中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心联合研究部能源催化材料课题组一直致力于碳催化反应过程和新颖碳催化反应体系的研发,近期在纳米碳材料高效催化过氧化氢电合成领域取得重要进展。首先通过关联典型碳材料表面化学结构与其催化氧气电化学还原生成过氧化氢的反应活性可以发现:二电子氧还原反应的选择性与碳材料表面的羰基和羧基含量呈线性正相关关系,羧基的本征活性是羰基官能团的5倍以上。碳材料表面的羧基官能团是氧气电化学还原制备过氧化氢的主要活性中心。上述碳催化氧气电化学还原反应活性中心和反应动力学的研究结果同时还表明:氧还原反应的选择性主要取决于过氧化氢与羧基官能团之间的结合能力。碳材料表面的羧基活性位点上二电子氧还原过程生成的H2O2若不能及时地脱附,极易被进一步还原发生四电子反应生成水,因此如何保证H2O2在活性中心上及时脱附是提高其选择性和产率的关键。   基于上述反应过程和机理分析结论,源催化材料课题组齐伟博士与北京大学郭少军教授和福州大学谢在来课题组开展合作,成功实现利用界面工程手段和反应动力学思想来调控碳催化电化学氧还原反应选择性的创新研究思路。具体做法是利用阳离子表面活性剂(如:三甲基十六烷基溴化铵)与羧基基团的静电相互作用降低碳材料表面羧基官能团与二电子氧还原产物HO2-的相互作用,阻止其被进一步还原,成功实现了高选择性电合成H2O2的过程。这种碳/表面活性剂复合催化材料体系展现出目前已知报道最高的H2O2选择性(>96%)、最宽的过电位窗口(>0.8 V)和可观的稳定性(>10h)。鉴于纳米碳/表面活性剂复合电极材料在过氧化氢电合成反应中的优异催化表现,整个反应体系能耗低、绿色、可持续、稳定性好的特点,尤其是对该体系结构-功能关系的深刻理解,这项研究工作对未来设计开发具有实际应用前景的高产率、高稳定性和低成本的电合成过氧化氢化合物体系具有重要的指导意义。   上述两部分系统工作分别以全文形式发表在Journal of Colloid and Interface Science(活性中心定性与定量)和Chem(反应动力学以及表面活性剂的促进作用)杂志,论文的第一作者分别为联合研究部能源催化材料课题组的卢星宇同学和吴光栩博士。相关工作获得了国家自然科学基金、中科院青促会项目、辽宁省自然科学基金和沈阳材料科学国家研究中心的资助,论文作者对上述项目支持表示由衷的感谢。 文章来源:国研中心 联合研究部
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    • 来源专题:绿色化工
    • 发布时间:2023-04-28
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