催化学报杂志 CSCD期刊

催化学报 2016年第07期杂志 文档列表

催化学报杂志编者语

Preface to Special Issue on Electrocatalysis Transformation987-987

催化学报杂志快讯

Nafion含量对直接甲醇燃料电池阴极催化剂性能表达的影响988-993

摘要：燃料电池是一种将燃料反应的化学能转化为电能的装置,可分为氢氧质子交换膜燃料电池（PEMFCs）、直接甲醇燃料电池（DMFCs）和直接甲酸燃料电池等.与PEMFCs相比,DMFCs以甲醇为燃料,燃料的储存运输和电池操作运行具有较高的安全性,所以近年来受到人们的广泛关注.膜电极组件（MEA）是DMFCs的核心部分,由气体扩散层（GDL）、催化层（CL）和质子交换膜（PEM）三部分组成.GDL用于提高电池传质能力,并同时作为MEA的集流体.PEM主要用于隔离燃料和氧气,进行质子传导.CL是MEA中的主要组成部分,为电化学反应提供场所.催化层由催化剂,质子传输介质和电子传输介质组成.通常,阳极催化剂采用Pt Ru/C,阴极采用Pt/C,质子传输介质为全氟磺酸树脂,如Nafion.CL的结构对电池性能有直接的影响,因此人们对CL的结构进行了详细的研究,并通过调节CL亲水性能、梯度催化层的结构设计等优化其结构.研究表明,当CL中Nafion含量为33 wt.%,PEMFCs具有最佳的电池性能.DMFCs与PEMFCs对MEA要求不同,其阴极更容易发生水淹现象.本文结合非接触式三维光学轮廓仪、接触角测试系统和电化学测试对阴极不同Nafion含量的膜电极进行了表面形貌、亲水性、循环伏安和DMFC性能测试.本文利用喷涂法制备了GDE,然后与Nafion115热压形成MEA.由三维表面形貌图可以看出,随着催化层中Nafion含量的增加,GDE表面的粗糙度变大,尤其是N35和N45.理论上,表面粗糙有利于Pt的暴露和传质扩散,但是其电池性能并未与粗糙度呈现出正相关的关系,因为Nafion含量高于35 wt.%,Pt被Nafion过度包裹,抑制了O2至催化剂表面的传输,且随着Nafion含量由15 wt.%增加至45 wt.%,其GDE表面的接触角由166.8o减至143.1o,说明CL的亲水性增强,易导致阴极产生的水无法及时排出,从而造成阴极水淹现象.从不同Nafion含量制备MEA的CV图可以看出,随着Nafion含量的增加,

无负载的纳米银电极：一种用于1-溴乙基苯与CO2电羧化的高效催化剂994-998

摘要：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Ag NO3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2.5F/mol、电流密度5 m A/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

催化学报杂志综述

CO2催化转化为高附加值燃料：现状、挑战及其未来方向999-1015

摘要：CO2电化学还原,特别是与间歇性的可再生电能相结合转化为液体燃料提供了一条很有前景的将电能存储为化学能的途径,它既降低了人们对化石燃料的依赖,又减轻了因人类活动而排放的CO2对地球的不利影响.尽管CO2转化为燃料本身不是一个新概念,但在过去的30多年里该领域的研究也没有很大的进展.这主要是由于结构型电催化剂的开发、以及可有效收集反应物和分离产物的膜组件的开发存在很大的挑战.本文总结了CO2催化转化的最新进展,提出了制备高附加值燃料的挑战和未来的方向..

Li-CO2电池机理、催化剂和性能研究进展1016-1024

摘要：对化石能源依赖所造成的能源安全和环境污染等问题限制了人类社会的可持续发展.Li-CO2电池能量密度高、原材料成本低廉且结构简单,因而被认为是开发和利用可再生清洁能源的有力技术,在住宅能量存储、电动汽车驱动和智能电网等领域具备良好的应用前景.此外,CO2等温室气体的大量排放是全球变暖的主要原因,Li-CO2电池放电时可将空气中的CO2还原固定,生成的碳材料可用作燃料和化工原料,在资源利用化上提供了新途径.Li-CO2电池是建立在锂-空气电池的基础上.相比大气中的其他成分,H2O与CO2对该电池的影响很大.防水膜可以减少水的影响;而在放电过程中,CO2的存在会生成Li2CO3,Li2CO3是可以分解的.由此可见,CO2在可充放的锂电池中作为正极活性成分储能,从而被利用起来.目前Li-CO2电池至少面临三个问题：（1）电池充放电的机理尚不完全清楚,并且以O2和CO2混合气为活性气体的机理与以纯CO2为活性气体的机理是有差别的,Li2CO3的生成与分解的机制仍在探索中;（2）电解液的稳定性;（3）寻找高效的正极催化剂材料.本文介绍了Li-CO2电池的发展历程,讨论了Li-CO2电池的充放电机理、电解液的影响以及正极催化材料的选取等.综述了活性气体为纯CO2和CO2-O2混合气时机理的差别,以及CO2/O2混合比对电池性能的影响.选取电解液应考虑其粘度和介电性.高效能的正极催化材料大多具有高导电性、多孔结构和大的比表面积等特点.而温度也是影响Li-CO2电池性能的因素之一.虽然Li-CO2电池的概念相对较新,但可实现CO2在能源储存与转化领域中的应用,并为Li-O2电池向锂空气电池飞跃提供了重要参考.本文以如何提高正极材料的催化性能和Li2CO3的生成和分解机理为重点,总结了正极材料所具有的导电性、比表面积、特殊结构等特点,以及相关机理.

聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵在高分子膜燃料电池中的应用：从纳米颗粒到载体材料1025-1036

摘要：高分子膜燃料电池是一类很有发展前景的可提供可再生能源的装置,这主要得益于它的零排放、无毒性和较低的操作温度.在高分子膜燃料电池的部件中,电催化剂对于提高输出能量密度和/或工作寿命起到至关重要的作用.在过去的几十年中,科学家提出了很多办法和策略以解决电催化剂的活性和稳定性问题.尽管基于聚电解质的层层自组装制备膜电极的方法已经研究多年,但聚电解质在催化剂制备方面的作用仍需更多的关注.最近几年,已有很多人将聚电解质应用于催化剂设计制备,其中聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）的研究较为系统,因此,本文重点关注PDDA,目的是总结出一些有用的信息,以便为该领域未来的研究发展提供一些参考.本文收集了一些聚电解质在电催化剂纳米颗粒和载体材料两方面应用的文献,不仅讨论了聚电解质在催化剂颗粒粒径、形貌和组成方面的影响,还总结了其在修饰载体材料方面的应用.最后,本文还展望了聚电解质在催化剂设计制备领域的发展.通常,聚电解质有三个主要的特征：（1）在水溶液中容易解离为带相反电荷的长链结构和离子;（2）长链结构中带有独特的官能团结构;（3）当溶液浓度变化时其结构会发生转变.因此,聚电解质可以在电催化剂层面作为纳米反应器来控制金属纳米颗粒的生长,可功能化或掺杂纳米颗粒以及载体材料,可以保护纳米颗粒或载体不衰减,同时还可使其他物质带电,利用自组装方法制备有序的催化剂.然而,相关研究大都集中于PDDA,因此,其他聚电解质还需要进一步的系统研究,以便了解聚电解质特征、制备的催化剂以及催化性能之间的关系.PDDA在该领域的研究还需在如下几个方面继续进行.（1）聚电解质通常不是电子的良导体,其在催化剂表面的吸附会造成活性位的损失.尽管已经提出一些相对有效的

直接甲醇燃料电池纳米结构电催化材料及多孔电极研究1037-1048

摘要：直接甲醇燃料电池（DMFC）因其燃料能量密度高,工作温度低,低污染排放等优点被认为是用作移动设备电源的最佳选择之一,至今已有美国的Oorja Protonics公司和丹麦的IRD公司等新能源相关企业相继了多款用于手机、电脑、通信基站、叉式装卸机或房车的商业产品.然而,DMFC内部的复杂情况造成的多种不同的电压损失仍旧使得其实际电压效率远低于理论值.其中从阳极渗透到阴极的甲醇造成的混合电位导致的电压损失尤为明显.目前,众多研究人员都致力于开发高稳定性、高耐久性、高性能且低成本的催化材料体系,以克服传统Pt催化剂存在的各种问题.除了催化剂本身之外,DMFC的问题还与其中膜电极的微结构和电化学特性息息相关.膜电极是化学能通过电催化氧化还原反应转化为电能的反应场所,通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依序组合而成.通过对MEA中的各层进行优化,如传质管理和甲醇渗透等问题都能得到有效解决.近年来,纳米技术常被用于改进DMFC性能的研究.具备纳米结构的金属-碳/金属氧化物载体类催化材料得到了广泛研究.这些电催化材料在制备方法、结构和组分上都有较大区别.结构方面,许多研究都证明制备纳米级多孔网络结构或者有序阵列结构的催化层有助于提高催化性能和Pt的利用率.组分方面,许多研究人员都开展了引入Pt以外金属成分或金属氧化物来改变Pt催化剂的表面电子状态的研究.引入这些组分导致的配位体效应可以通过弱化Pt与H＋,OH-或COads等的相互作用来起到抗催化毒化和提高催化效率的作用.尽管对于DMFC领域的认知逐渐完善,但是仍有许多问题有待解决.因此,本文介绍了目前用于DMFC的纳米结构电催化材料和多孔电极的研究进展.重点介绍了纳米结构催化剂和载体材料的合成及表征.�

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展1049-1061

摘要：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 m V的过电位,与金属铂（约200 m V）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

催化学报杂志论文

纳米多孔二氧化钛电极辅助光电化学降解乙酰氨基酚及伐昔洛韦1062-1069

摘要：作为一类具有较高生物活性的物质,药物及个人护理品对环境的污染引起人们越来越多的关注.对乙酰氨基酚和伐昔洛韦是两种使用广泛的药物,由于其潜在的对人类健康和生态安全的威胁而逐渐成为研究热点.而电化学辅助光氧化技术因其具备能够高效处理难降解化学品的优点而得到广泛使用.本文合成了纳米多孔二氧化钛电极,研究了电化学还原处理对纳米多孔二氧化钛电极辅助光电化学降解对乙酰氨基酚和伐昔洛韦的影响.使用扫描电镜和色散谱技术对合成的纳米多孔二氧化钛电极的形态和元素组成进行了表征.循环伏安法、莫特-肖特基曲线、紫外-可见分光光度计和总有机碳分析仪被用来研究对乙酰氨基酚和伐昔洛韦的光电化学降解过程.结果显示,对乙酰氨基酚和伐昔洛韦的光化学降解和电化学降解过程非常缓慢,在研究的时间范围内其浓度未见明显变化,因此可以忽略不计.但是对乙酰氨基酚和伐昔洛韦的光电化学降解速度比较快,与未经处理的纳米多孔二氧化钛电极相比,经过电化学还原处理的电极可以使对乙酰氨基酚和伐昔洛韦的光电化学降解分别提高86.96%和53.12%.这可能是由于在电化学还原处理过程中生成了Ti（3＋）,Ti~（2＋）和氧空位以及导电性的提高.还研究了温度对对乙酰氨基酚和伐昔洛韦光电化学降解的影响,随着温度升高,对乙酰氨基酚和伐昔洛韦的光电化学降解速率增大.

过渡金属修饰对铜箔电催化还原CO2的性能影响1070-1075

摘要：CO_2还原是一种解决温室效应以及能源短缺问题的有效方式.目前对于水溶液体系中的CO_2还原,主要有光催化、电催化以及光电催化等方法,其中还原CO_2法可在室温下进行,并较易实现大规模应用.由于金属电极在CO_2电催化还原过程中表现较高电流密度和催化性能,使得目前研究的热点集中于金属电极的修饰改性.金属Cu与H2,CO结合能力适中,并且对生成碳氢化合物具有较好的催化性能,因此其在催化CO_2还原中具有较大潜力.以往对于Cu的研究主要集中在表面修饰、调控表面结构以及制备合金等方向,其中对金属进行氧化后再还原的处理也是提高其催化活性的一种有效手段.氧化后还原得到的铜具有较大的粗糙度,且暴露的活性位点更多,对CO_2还原具有较好的催化活性.我们对铜箔在空气氛围下、300oC焙烧5 h,然后恒电位还原,再进行过渡金属Ni、Zn、Au的修饰,研究所得样品电催化还原CO_2性能.电极的表面形貌用扫描电镜表征,CO_2还原的液相和气相产物分别用核磁和在线气相色谱进行检测.修饰后电极的形貌没有发生太大变化,仍具有十分粗糙的表面结构.通过线性扫描伏安曲线可以看出,修饰Zn、Au后电流密度较未修饰前有明显增加,但是由于CO_2还原过程中不可避免地伴随析氢副反应,因此,我们通过计算产物的法拉第效率来表征修饰后的电极对产物选择性的改变：未修饰时,在-1.2至-1.6 V均可检测到甲酸的生成,电位负于-1.4 V时可以检测到乙醇和正丙醇.Ni的修饰明显提高了甲酸的法拉第效率,也促进了正丙醇的生成.-1.3 V时甲酸的法拉第效率为26.0%,-1.5 V时液相产物的法拉第效率为34.3%.在线气相色谱结果发现,Ni的修饰也明显提高了CO的法拉第效率,在-1.4 V下,CO的法拉第效率为44.6%.这可能是由于Ni（r=0.1246 nm）的原子半径比Cu（r=0.1278 nm）更小,因此Ni的修饰会使Cu发生晶格收�

乙腈体系中咪唑溴盐和电制镁盐协同促进环氧化物与CO_2羧化反应合成环状碳酸酯1076-1080

摘要：CO2是一种储量丰富且廉价易得的可再生C1资源.以CO2为原料的羧化反应可将CO2高效转化成羧酸及其衍生物等高附加值化学品.例如,CO2和环氧化物反应生成环状碳酸酯属于＂原子经济＂反应,是有效利用CO2的方法之一,其产物环状碳酸酯广泛用于极性有机溶剂、电池电解液和化妆品等.由于CO2化学性质非常稳定,不易活化,制备环状碳酸酯的传统方法是以金属卤化物或金属配合物为催化剂在高温高压下进行反应.因此,开发出操作简便且能耗低的绿色技术用于合成环状碳酸酯面临巨大挑战.最近研究表明,电催化技术可使环氧化物和CO2在温和条件下转化为环状碳酸酯.已报道的电催化反应研究重点都是如何通过多相或均相电催化还原CO2的方式使环氧化物能够在温和条件下进行羧化反应.然而,CO2电还原生成的CO2·-自由基非常活泼,在其扩散到溶液中与环氧化物反应之前易在电极上直接转化为CO和碳酸盐等副产物,从而导致羧化反应较低的电流效率.Ema课题组报道环氧化物与CO2羧化反应经历三个步骤,即开环反应、CO2插入反应和闭环反应,其中开环反应活化能最大,是羧化反应决速步骤.与已报道的电催化途径不同,本文通过建立一个由电化学反应和羧化反应组成的催化反应体系,旨在通过降低开环反应活化能来促进环氧化物羧化反应.在电化学反应过程中,由牺牲阳极提供羧化反应必需的路易斯酸,即电制镁盐;在羧化反应过程中,通过电制镁盐和咪唑溴盐的协同作用实现环氧化物和CO2在温和条件下高效率地转化为环状碳酸酯.实验首先选取环氧苯乙烷为反应原料,考察了电制镁盐、共催化剂的阳离子以及羧化反应温度对目标产物产率的影响.如果羧化反应过程中没有镁盐或直接用等量溴化镁代替电制镁盐,羧化产率仅为5.4%和35.5%,而电制镁盐条件下羧化反应产率高达90.7%,表

高选择性和稳定性SnO2纳米催化剂上CO2电化学还原为甲酸1081-1088

摘要：作为最重要的还原产品,甲酸是CO2还原中非常有价值的液体燃料.已有研究报道,Sn类金属电极对甲酸生成有很好的催化活性,所用电解液均为KHCO3溶液（0.5 mol/L）,但多数研究没有对其电解液条件的影响给出清晰解释.一般而言,电解液pH值会影响H2O和CO2还原的电极电势,酸性环境有利于氢析出,碱性环境则不利于甲酸形成.在中性偏碱性环境,CO2电解可以提供维持氧化物稳定性的可能性.同时,电解质浓度也极大地影响甲酸形成.研究表明,当在固定床反应器中使用Sn颗粒电极,在KHCO3溶液（0.5 mol/L）中甲酸的法拉第效率比K2CO3溶液（0.1 mol/L）的法拉第效率更大.我们研究组通过简单的水热自组装法成功制备了一种纳米结构SnO2催化剂.其中SnO2-50纳米催化剂由三维多级结构组成,为纳米颗粒和微米球的聚集体,其中含有直径为500 nm-1μm的高度多孔结构.该催化剂负载气体扩散电极用于CO2电化学还原,表现出优异的CO2还原催化活性和甲酸选择性.与其他文献报道相比,该电极具有明显的低过电位（-0.56 V vs.SHE）.经研究发现,这与甲酸形成由传质和电荷传递过程控制有关,同时CO2还原强烈依赖于电解液条件.此外,催化剂的电化学性能和甲酸选择性强烈依赖于电解液浓度.在0.5 mol/L KHCO3电解液中,当电解液浓度为0.1-0.5mol/L时,催化性能随电解液浓度增加而提高,同时在电解液浓度为0.5 mol/L时催化性能达到最佳,获得56%的甲酸法拉第效率,这主要是由于HCO3-直接参与反应的结果.在电解液浓度较低时,甲酸的形成由传质控制,而在电解液浓度较高时,甲酸的形成则由电荷传递控制.同时我们发现在形成甲酸过程中,电解液pH值对CO2电化学还原过程有很大影响.为了研究电解液pH值影响,重点考察了pH值分别为6,7,8.3和9时的电位值,其原因是酸性过高有利于氢气形成,碱度过高不利于甲酸形成.结果表明

铂纳米棒有序阵列催化电极在被动式直接甲醇燃料电池中的应用1089-1095

摘要：直接甲醇燃料电池（DMFC）具有能量密度高、无需充电、液体燃料添加便捷及环境友好等优点,是新一代便携式移动电源研究热点.DMFC规模应用的主要技术挑战是如何进一步提高电池性能、显著降低成本和可靠延长寿命.催化电极作为DMFC发电核心和成本的集中体现,其电催化活性和贵金属用量直接影响DMFC的性能和成本,开发高性能、低成本的催化电极对推进DMFC实用化进程具有重要意义.特别是在被动式DMFC中,阴极催化电极不仅需要提高电催化活性和大幅降低贵金属用量,而且还面临内部严重的＂水淹＂和氧传质受限等问题.近年来,随着纳米技术发展,有序纳米结构已逐渐应用于DMFC催化电极的构筑中,电池性能得到显著提高.然而,目前的研究主要集中在膜电极纳米有序微孔层、纳米有序改性膜和纳米有序阳极催化电极及其阳极贵金属载量降低等方面,关于阴极催化电极在有序纳米结构以及载量降低等方面的研究相对较少.本文采用模板法直接在微孔层上电沉积定向生长排列有序、直径可控的铂纳米棒阵列,并作为阴极催化电极应用于被动式DMFC.X射线衍射和透射电镜结果表明,该铂纳米棒结构稳定,表面含有丰富的纳米晶须结构,有利于催化电极比表面积增加和电催化活性提高.不同催化电极上氧还原的极化曲线表明电极性能依下列次序变化：直径为200 nm铂纳米棒阵列电极〉100 nm铂纳米棒阵列电极〉商业化铂黑催化电极.电池性能表征表明,长度为1–3μm、直径分别为200和100nm、载量为1.0 mg/cm2的铂纳米棒阵列作为阴极催化电极的DMFC最大功率密度分别为17.3和12.0 m W/cm~2.通过催化电极电化学活性面积和阻抗测试,分析其性能提高的原因可归结于有序排列的铂纳米棒阵列结构提高了电化学活性面积、增强了氧还原电催化活性并促进了阴极氧的传质.

聚对苯二胺和炭黑复合物作为高效的氧还原催化剂及其稳定性研究1096-1102

摘要：近年来,氮掺杂的碳材料作为碱性氧还原催化剂得到了研究者的广泛关注.掺杂的N原子会影响C原子的自旋密度和电荷分布,导致碳材料表面产生＂活性位点＂,因此掺氮碳材料具有优秀的氧还原活性,这已经在理论计算和实验中得到了验证.我们通过调节聚对苯二胺和碳黑的比例,之后进行热解制备了一系列掺氮碳材料.其中0.88PpPD/CB样品具有最好的氧还原活性,其在KOH溶液（0.1 mol/L）中的氧还原性能超过了商业碳载铂.通过扫描电子显微镜表征,发现碳球聚集在聚对苯二胺的表面,这主要是因为聚对苯二胺没有进行酸掺杂,因此其水溶性比较差.通过氮气的吸脱附表征,发现聚对苯二胺的比表面积很小,而碳黑样品（BP2000）的比表面积很大.因此,随着聚对苯二胺量的增加,聚对苯二胺/碳黑复合物的比表面积逐渐降低.另外,聚对苯二胺表面几乎都是微孔,而介孔和大孔主要来自于碳黑.研究者认为,＂活性位点＂主要位于微孔内（聚对苯二胺表面）,而介孔和大孔有利于物质的传输.因此,当聚对苯二胺和碳黑的比例合适时,既有大量的＂活性位点＂暴露,又有足够的介孔和大孔进行物质传输,所以0.88PpPD/CB样品的氧还原活性最高.但是,对于掺氮碳材料来说,一个主要的问题就是稳定性不足.不管是电化学稳定性,还是放置在空气中的稳定性,掺氮碳材料都比不上铂基催化剂,这也阻碍了它们的大规模应用.对于电化学稳定性,很多文章都进行了报道,但是很少有文章报道掺氮碳材料在空气中的稳定性.我们知道,铂基材料之所以具有优异的氧还原活性,是因为铂和氧气的结合能比较合适,既利于氧气吸附,也利于之后氧气分子键的断裂.但是,当铂基材料放置在空气中,氧气的吸附也会发生,而且之后会导致表面氧化层的形成.所以铂基材料需要活化才能达到最好的催化性能.对于掺氮碳�

介孔结构Fe/N/C作为质子交换膜燃料电池氧还原催化剂1103-1108

摘要：燃料电池具有高效、低排放等优势,非常有希望作为未来电动汽车的能源转化装置.目前,燃料电池的商业化受制于昂贵的铂基催化剂,特别是动力学迟缓的阴极氧还原反应（ORR）铂催化剂.Fe/N/C被认为是最有潜力的ORR非贵金属催化剂,但其活性仍远低于Pt催化剂,必须依靠增加载量来弥补其与Pt催化剂的活性差距.然而,较厚的催化层（~100μm）会降低阴极传质速率.因此,改善Fe/N/C阴极的传质是提高电池性能的重要途径.本文选择高N含量的2-氨基苯并咪唑（ABI）为氮源,通过水热聚合包覆在碳黑表面,然后掺入FeCl_3,经高温热解/酸洗制备了Fe/N/C-ABI催化剂,并与基于间苯二胺的微孔型Fe/N/C催化剂（Fe/N/C-Pm PDA）进行比较.Ar等温吸附-脱附结果表明,Fe/N/C-ABI催化剂具有较高的比表面积（662 m2/g）和丰富的双级孔结构（微孔和介孔）;透射电镜表征显示Fe/N/C-ABI催化剂具有中空结构,介孔孔径大约为10–25 nm.而Fe/N/C-Pm PDA催化剂具有相当的比表面积（656 m2/g）,但以微孔为主,基本不含介孔.旋转环圆盘电极（RRDE）测试表明,在0.1 mol/L H2SO4溶液中,Fe/N/C-ABI催化剂的起始还原电位为0.92 V,在0.8 V电位下质量电流密度可达9.21 A/g;而Fe/N/C-Pm PDA催化剂具有相近的起始电位,但具有更高的催化活性,质量电流密度为13.4 A/g.氢氧燃料电池（PEMFC）系统测试结果表明,Fe/N/C-ABI催化剂在1个背压和80 oC测试条件下的最大功率密度达710 m W/cm2,高于Fe/N/C-Pm PDA催化剂（616 m W/cm2）.燃料电池与RRDE测试活性顺序的差异归结于Fe/N/C-ABI的中空球状结构.PEMFC工作时阴极会产生大量的水,很容易堵塞氧气传输通道.Fe/N/C-ABI的介孔结构可以作为水的产生和排除的缓存空间,也有利于提高O_2传质,从而提高燃料电池性能.本文为具有高传质速率的Fe/N/C催化剂研制提供了一种新思路.

对电极材料对非贵金属电催化剂耐久性评价的影响1109-1118

摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFCs）环境友好,具有高的能量转换效率,已受到了广泛的关注.目前,铂基电催化剂广泛使用在PEMFCs中,但铂的储量有限,活性低,耐久性差,成本高,急需开发高性能的非贵金属电催化剂替代铂基电催化剂.非贵金属电催化剂的电化学表征基本上都沿用了铂基电催化剂的评价体系和方法,不一定适用于非贵金属电催化剂的表征.本文选用铂和石墨为对电极考察其对非贵金属电催化剂在酸性电解质中耐久性测试的影响.当使用铂对电极时,商业Pt/C电催化剂的氧还原（ORR）活性随着耐久性测试圈数的增加而降低,而非贵金属电催化剂的氧还原活性在耐久性测试过程中的变化规律与商业Pt/C不同,呈现先降低,后升高的规律.耐久性测试前后的透射电镜（TEM）分析表明非贵金属电催化剂经过耐久性测试后,在电催化剂表面生长了铂纳米颗粒.高分辨透射电镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDX）进一步证明以铂为对电极的三电极体系,在进行非贵金属电催化剂耐久性测试的过程中,非贵金属电催化剂表面生长了铂纳米颗粒,使得非贵金属电催化剂的ORR活性在耐久性测试后得到显著提高.耐久性测试前后,非贵金属电催化剂氧还原过程的电子转移数由3.7变为4.0,再次证明了耐久性测试过程中铂颗粒的生成.在三电极电化学体系中,当工作电极发生阴极反应时,对电极为阳极反应,反之亦然,即在工作电极上发生的任何电化学过程,都会在对电极上完成相反的电化学过程.在循环电位扫描过程中,当铂对电极的电压高于1.0 V（vsRHE）时,开始发生铂的溶解现象,并且当电压高于1.2 V（vsRHE）时,铂的溶解量会急剧增加,部分溶解的铂会扩散到工作电极附近,并在工作电极的非贵金属电催化剂表面发生沉积作用.随着扫描圈数的增加,沉积的铂纳米颗粒的数量增加,颗粒变大,从

氮掺杂的碳材料中石墨化氮和吡啶氮对氧还原反应的催化特性1119-1126

摘要：目前,开发高效的阴极氧还原反应（ORR）电催化剂是实现燃料电池和金属-空气电池商业化发展急需完成的目标.在过去的几十年中,人们在探索廉价高效的ORR电催化剂（如N掺杂的非金属及非铂电催化剂）领域做了广泛的研究.在N掺杂的碳基ORR催化剂中,已知的N基活性位点主要分为四类,即吡啶类氮（P-N）、吡咯类氮（Py-N）、石墨化氮（G-N）和氧化类氮（O-N）.尽管人们对这四种类型氮的活性位点做了大量的研究,但是它们在催化反应中起到的ORR催化作用以及催化机理和活性位点本身结构的关系仍不够明确.早期的研究中有人认为P-N或者Py-N是ORR催化活性位点,也有人认为是G-N起作用.最近也有研究表明,P-N和G-N都是ORR催化活性位点,只是在ORR中所起的催化能力不同.因此,很有必要认清这些问题.本文通过Hummer法酸性氧化一次和两次碳黑Vulcan XC-72（VXC-72）以及随后高温热处理,制备了一系列ORR催化剂VXCO-1,VXCO-2,VXCO-1（900）和VXCO-2（900）,采用场发射扫描电子显微镜（SEM）,N_2吸附脱附法,元素分析仪（EA）,X射线光电子能谱（XPS）,拉曼光谱仪（Raman）,X射线衍射能谱（XRD）,电化学循环伏安法和线性伏安法测试等手段研究Hummers法酸氧化和高温热处理对VXC-72形貌组成的影响,以及这些碳基中成分和其催化ORR能力的关系.SEM结果表明,Hummer法酸性氧化处理VXC-72一次和两次后可以逐层剥落其最外边的碳层结构,最终得到表面光滑的类片层状结构的碳材料（VXCO-1和VXCO-2）.这种表面光滑的类片层状结构的碳材料比表面积大于处理前的VXC-72,而高温热处理之后的碳材料（VXCO-1（900）和VXCO-2（900））由于类石墨层碎片结构蒸发损失暴露出更多内部的微孔和介孔结构使比表面积增加.Raman和XRD结果表明,氧化处理使碳材料的石墨化程度增加,而高温热处理则降低了其石墨化程度.EA和XPS

以金属有机骨架为前驱体的高活性氧还原非贵金属催化剂制备1127-1133

摘要：燃料电池具有能量转化效率高、功率密度高、低温操作、无污染等优点,因而在电动汽车动力源、移动式电源及分散电站等领域具有广阔的应用前景.Pt/C催化剂是目前使用最广泛的燃料电池阴极氧还原反应（ORR）的催化剂,然而其有限的储量、较低的稳定性、易CO中毒等缺点限制了燃料电池的大规模商业化,因此研制高活性和稳定性的非贵金属催化剂以代替Pt/C催化剂显得至关重要.金属有机骨架（MOFs）是由金属阳离子和有机配体配位而成的结构可调的空间三维材料,其作为前驱体制备非贵金属ORR催化剂具有独特的优势：（1）MOFs的三维晶体结构可以提供高的活性位点密度;（2）有机配体可以在热解的过程中转化为碳支撑体,使得活性金属物质和碳支撑体可以同时生成;（3）可以调节形成MOFs的金属离子和有机配体来设计一定特性的MOFs结构,从而制备结构和功能可调的催化剂;（4）MOFs具有可调控的孔径尺寸及可修饰的孔道表面,其较大的比表面积和不同孔隙分布有利于吸附反应物氧气分子,而且可以得到不同元素和金属掺杂的多孔碳材料.因此,本文选择MOF材料ZIF-67作为前驱体,通过在500–900°C高温热处理制备了非贵金属ORR催化剂,在0.1 mol/L KOH溶液中进行电化学测试,发现其中600°C热处理得到的催化剂的活性较好.为了进一步提高催化剂的导电性和分散性,对该催化剂进行了BP 2000碳载处理.电化学测试发现,该催化剂的ORR活性进一步提高：当载量为1.0 mg/cm2时,其ORR起始电位和半波电位分别达1.017和0.857 V（vs.RHE）,与商业化Pt/C（20μgPt/cm~2）的性能相近.透射电镜结果表明,制备的催化剂为单质Co粒子镶嵌的N掺杂的多孔碳材料,其中Co粒子的粒径为10 nm左右,其存在可由X射线衍射测试得以确认.X射线光电子能谱表征显示,碳载得到的催化剂中N原子主要以吡啶型存在,后�