导读:本文包含了电催化材料论文开题报告文献综述及选题提纲参考文献，主要关键词:二氧化碳还原,电催化,纳米技术,铋基材料
电催化材料论文文献综述
周睿,韩娜,李彦光[1]（2019）在《铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展》一文中研究指出二氧化碳(CO_2)作为一种经济、安全、可再生的碳资源化合物,其高效回收利用一直是全社会关注的焦点.利用电化学方法,将CO_2还原转化生成一系列高附加值的化学品或燃料,对于缓解能源与环境双重压力具有重要的现实意义.本论文介绍了电化学CO_2还原反应的基本原理与过程,综述了近年来铋基催化材料的发展现状,重点对这类催化材料的制备合成、结构调控、催化反应机理研究等方面进行了总结,最后对其未来发展方向进行了探讨与展望.(本文来源于《电化学》期刊2019年04期）
景洪宇[2]（2019）在《用于DSSCs对电极碘还原反应的碳基电催化材料制备及性能研究》一文中研究指出染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)由于理论效率高、工艺简单、成本较低和环境友好等优点而具有广阔的发展前景。作为DSSCs的关键组成部分,对电极(counter electrode,CE)表面的电催化过程对器件性能具有至关重要的影响。传统铂(Pt)基CE价格昂贵并且易被电解质中的碘腐蚀,因此,开发价格低廉且性能突出的非Pt电催化材料具有重要的实用意义和研究价值。碳材料廉价易得、结构丰富、形貌多样化,在不同尺度上(从原子/分子到纳米尺度)调变碳基材料表/界面结构和物理化学特性,构筑CE表面电催化反应的高活性中心,发展碳材料绿色可控合成方法,是当今DSSCs领域面临的重要科学问题。围绕CE表面最为常见的碘还原反应(Triiodide reduction reaction,简称IRR),本论文从原子/分子和纳米尺度开展了IRR催化活性中心构筑与材料合成的研究。同时,作者还系统探究了碳基CE材料元素组成、微观结构、表面形貌与IRR催化性能之间的构效关系。第一,通过绿色、温和的方法制备了一种氨基功能化石墨烯,并成功将其开发为DSSCs对电极材料。研究表明,预先对氧化石墨(GO)进行臭氧氧化可以明显提高其表面含氧官能团数量,有利于GO在水相中的分散;更重要的是,含氧官能团可以为下一步的氨基化提供更多的取代位点,多余含氧官能团可通过光还原加以消除(所得样品标记为AGO-hv)。电化学表征证实,AGO-hv对IRR具有优异的催化性能,DSSC器件获得了7.51%的能量转换效率(PCE),性能接近于相同条件下的Pt基CE(7.79%)。从理论计算出发,研究了石墨烯上不同氮掺杂类型对IRR电催化性能的影响机制和规律。密度泛函理论(DFT)计算表明,AGO-hv具有较低的电离能,并且AGO-hv上的吡啶氮与I原子结合能适中,更有利于电催化反应的进行。第二,以天然褐煤为牺牲模板,通过高温热解法制备出含有洋葱包覆结构以及无定形SiO2的石墨化碳基质材料。同时,作者考察了焙烧温度和活性组分对其结构组成和电催化性能的影响。在该材料中,石墨化碳层包覆Ca基粒子形成的纳米结构具有较好的化学稳定性,当使用盐酸刻蚀时,包含在洋葱状碳结构中的Ca物种几乎未被除去。另外,实验结果证实,材料中的SiO2对IRR电催化性能具有促进作用。将制备的材料用作DSSC对电极,器件获得了9.03%的PCE,明显高于Pt基CE组装的器件性能(8.24%)。第叁,以柚子皮为碳源,通过活化和热解法制备出具有高比表面积、良好孔隙率且富含多种活性组分的生物质碳材料。研究表明,作为热解过程中的活化剂和模板剂,氯化锌(ZnCl2)的作用主要体现在增大比表面积和形成优良孔结构,有利于增加催化活性位点并促进传质。同时,这种生物质衍生碳材料含有丰富的杂原子,有助于在碳材料表面造成电荷分布局域化,从而形成催化活性中心。电化学表征结果证实,该碳材料作为CE对IRR具有优异的电催化性能,DSSC器件获得了8.29%的PCE,与使用Pt基CE的器件性能(8.24%)相当。第四,制备了一种新型高效MOFs衍生的碳基单原子催化材料。利用ZIF-67作为前驱物,通过增大碳材料比表面积并控制载体与金属间的强相互作用,制备出了单个Co原子分散的负载型催化材料。使用该策略制备单原子催化材料的优点如下:ZIF-67中存在丰富的金属配位点和理想的限域空间,配体可以在空间上分隔金属结点,使得热解过程中金属原子迁移受限,最大程度避免了金属原子间的自团聚行为,因而使得金属能够以单个原子的形式负载在碳表面。研究结果表明,该材料对IRR具有优异的电催化活性,作为CE组装出的DSSC器件获得了7.89%的PCE,优于Pt基器件(PCE为7.76%)。(本文来源于《大连理工大学》期刊2019-06-01）
刘一蒲[3]（2019）在《基于电子结构优化的水裂解电催化材料的设计研究》一文中研究指出电解水制氢技术是目前可持续、清洁制氢的关键技术。然而由于成本消耗过高,工业上利用该技术制备的氢气份额只占到氢气总产量的4%。电解水制氢技术中成本消耗来源之一来自于电解水两个半反应——产氢反应以及产氧反应的反应过电势所导致的能量消耗;而向电解水体系中引入催化材料可以改变相关反应能垒,进而有效降低反应过电势,提高能量转化效率。目前,催化电解水产氢及产氧反应活性最高的材料均为贵金属材料,分别为铂基催化剂及铱、钌基催化剂,而贵金属材料的极低丰度和极高价格作为另一成本消耗来源同样限制了电解水制氢技术发展。因此,发展电解水技术的一个关键方向是发展高活性的、廉价的非贵金属催化材料,使水裂解反应能量转化效率在最大化的同时真正地降低整体技术成本,进而得到广泛、可持续的发展。理想的电解水催化材料应该具备以下特点:(1)高催化活性,活性接近贵金属催化剂甚至超过贵金属催化剂;(2)高催化稳定性,需要具有稳定的催化结构防止材料失活,最好可以维持催化活性几年甚至几十年稳定不变;(3)材料组成廉价易得,以满足可持续发展策略;(4)材料合成方法简单易扩大,以满足大范围的工业需求。目前已知材料还无法达到以上标准,这需要在基础研究中大范围开发具有不同组成结构、催化特性的催化材料,并从中总结经验、发现规律,进而设计合成具有更高性能的催化材料,逐步实现最终目标。本论文以优化材料电子结构为导向,以理论计算分析为辅助工具,以调变材料晶相、引入异相结构及构建缺陷边位等策略为手段设计合成出一系列高性能的非贵金属电解水催化材料,并进一步通过对比研究分析对材料电子结构与催化性能间内在构效关系加以归纳与阐释。本论文主要研究内容如下:1.过渡金属碳化物由于其类铂的电子结构及类金属的高导电性,被认为是一类具有潜在优异性能的催化产氢材料;并且与大部分金属及合金材料只能在碱性条件下稳定运行不同,碳化物在较宽的pH条件下均能保持结构稳定,因此在催化反应领域具有更大优势。但是,已报道研究结果中单金属碳化物的催化产氢活性没有十分优异,因此本工作的出发点为向单金属碳化物体系中引入另一种金属,进而调制单金属碳化物电子结构,优化单金属碳化物催化产氢活性。基于以上思路,我们合成出了一种碳包覆碳化钨钴材料,这种材料在酸性、中性及碱性条件下均具有优异的催化活性及稳定性,特别在碱性条件下,该材料仅需73 mV即可以达到10 mA cm~(-2)电流密度,活性远超单金属碳化物材料及其他组成材料。通过实验对比分析我们发现该材料的高催化产氢性能由双金属协同效应及碳包覆效应共同导致。该工作证实了双金属碳化物优化的电子结构对催化产氢反应的促进作用,为相关催化材料设计合成提供新思路。2.关于碳层对碳化物的影响,主流的观点一般认为合成碳化物时需要尽量避免碳层生成,因为碳是非催化活性相,附在碳化物上会减少碳化物活性位点数目,进而降低碳化物催化活性。然而根据对碳包覆碳化钨钴材料的研究工作,我们发现尽管碳化物材料被碳层完全包裹,但其催化性质完全不输表面洁净的碳化物材料,甚至具有更为优异的催化性能。基于以上矛盾点,我们简化合成体系合成出一系列碳包覆碳化钼材料,并以此为模型研究碳-碳化物异质结构对材料催化产氢性能的影响。通过实验我们发现材料催化活性与碳包覆材料中碳化物晶相结构、晶粒大小及氮元素含量有关,进一步的理论计算发现向碳化钼表面引入碳层可以有效调制整体材料的电子结构,使材料表面不会过强的吸附氢原子中间体,促进了催化产氢反应的发生;相应地底层碳化钼以及碳层中掺杂的氮元素共同调制了碳层中碳位点的电子结构,使该位点具有(35)G_(H*)接近于0的高本征活性,进而解释了实验上材料的高催化产氢活性。该工作合成了具有高催化性能的碳包覆碳化钼材料,证实了碳层与碳化物之间的相互作用,同时指出了碳包覆策略是一种有效的提升碳化物催化活性以及催化稳定性的方法。3.导电硫化物材料是近期发展较为快速的一类催化材料。它们一般具有优异的导电性和结构稳定性,在催化产氢反应里具有极大优势。另外一些导电硫化物材料被报道同时具有催化产氧活性,即可利用同一种材料分别降低电解水两个半反应的能垒,进一步提高电解水整个反应的能量利用效率。基于以上设想,我们通过化学沉积法在泡沫铜基底上原位生长了准无定形的CoS_x膜材料;通过结构表征我们发现反应过程中由于铜本身原子间较弱的结合力,基底上一部分的铜原子以亚纳米铜簇的形式扩散进CoS_x膜材料中,形成了独特的亚纳米铜簇修饰的准无定形CoS_x膜材料。通过实验分析我们发现准无定形CoS_x膜材料与其相对应晶化结构相比具有更高的催化活性,同时材料中亚纳米铜簇的存在进一步提高了材料的导电性;相关理论计算证明铜簇结构与CoS_x材料的结合可以使水分子更倾向以解离形式吸附在材料表面,加快了碱性条件下产氢反应中水的解离吸附过程。该种材料同时具有良好的产氧活性,基于此种特性我们利用该电极材料构建了双电极体系,该双电极体系在1.50 V电势下即可以达到10 mA cm~(-2)电流密度,催化活性与Pt/C-IrO_2体系相当,并具有更优异的稳定性,证实该材料是一类高性能双功能电解水催化材料。4.电解水产氧反应由于反应过程中涉及到多步电子/质子耦合过程,相比于产氢反应具有更迟缓的反应动力学,需要更大的过电势来克服反应能垒;并且由于产氧反应需要在较高的氧化条件下才能发生,很多物质在该条件下无法保持结构稳定,因此在催化产氧条件下维持材料的催化稳定性同样十分困难。LDH材料,特别是NiFe-LDH材料是一类活性优异的催化产氧材料,其结构可以在严苛的产氧条件下保持稳定,相关材料失活一般是催化材料与电极结合不牢固,催化过程中从电极表面剥落导致。基于以上研究基础,并且受自发生铁腐蚀反应的启发,我们通过控制铁基底腐蚀环境调控反应机理,室温条件下原位在铁基底材料上生长了阵列结构的NiFe-LDH纳米片材料;另外,通过调节腐蚀溶液中金属离子的浓度,我们可以进一步控制NiFe-LDH纳米片阵列材料的晶化程度。相关实验研究证实具有富晶界特征的NiFe-LDH纳米片阵列材料由于暴露了大量高活性不饱和位点,因此具有最高的催化产氧活性。我们进一步将富晶界NiFe-LDH材料生长在具有叁维结构的泡沫铁材料上,该材料在碱性条件下仅需340 mV即可以达到1000 mA cm~(-2)电流密度,并且可以在该电流密度下持续稳定工作5000小时以上。除了可以合成NiFe-LDH材料外,该种方法还可以进一步扩展合成CoFe,MnFe以及MgFe-LDH材料;并且由于该方法实现了在室温条件下无额外能量输入自发发生,方法易扩大且成本相对低廉,因此为工业化大批量生产该材料提供可能。(本文来源于《吉林大学》期刊2019-06-01）
王璟瑜[4]（2019）在《自催化生长的碳纳米管基电催化材料及其电解水性能研究》一文中研究指出开发清洁、高效的新能源,减少化石能源的开采与依赖是当代走可持续发展道路的不二选择,氢能源具有来源广泛,绿色清洁,燃烧产物无污染且可回收利用等优点,是未来最具发展潜力的新能源之一。利用碱性溶液电解水产氢可以避免以往酸雾对设备的腐蚀、产物不纯等不良因素,成为产出高纯氢气的有效途径,电解水所涉及的两个半反应:阴极析氢反应(HER),阳极析氧反应(OER),对于电解水的效率都起到至关重要的作用。目前被普遍认为最高效的催化剂为贵金属催化剂,商业Pt/C对于阴极HER反应的催化能力至今很难被超越,IrO_2和RuO_2也是被公认具有优异的阳极OER催化活性的贵金属催化剂,虽然贵金属拥有很高的活性,但其昂贵的成本和在反应中易团聚失活的现象极大地限制了它们的广泛应用。因此,本文拟通过合成一种自催化生长的碳纳米管包裹过渡金属化合物材料,该类材料拥有较好的导电性和稳定的管状结构,不仅价格低廉,更具有较高的活性面积,电化学测试结果表明,这些管状结构包裹的纳米颗粒具有优异催化活性的同时,更加以独特的结构特征保证了催化过程的稳定性,作为双功能材料应用于电解水时,能有效的降低电解水的槽电压,且在不同的电流密度下均表现出良好的稳定性。具体内容如下:(1)利用钴盐在高温下自催化生长氮掺杂碳纳米管包裹金属钴,并进一步硫化处理生成硫、氮共掺杂的碳纳米管包裹核壳结构CoS_2@Co纳米颗粒。制备得到的催化剂材料拥有两种杂原子掺杂,改善了其电子结构的同时提高了导电性,且暴露了较大的电化学活性面积,特殊的核壳结构不仅加速了水的裂解,也促进了产物的脱附,从而大大的提高了催化产氢和产氧的性能,自催化的碳纳米管也为活性组分的稳定催化提供了抗腐蚀的空间。(2)利用镍盐在高温下自催化生长氮掺杂碳纳米管包裹金属镍,为了解决不能将金属Ni颗粒完全硫化的问题,在碳纳米管生长时引入了Mo元素,与碳管共同生长的Mo_xC颗粒可以调节碳纳米管中N掺杂的种类,增加吡咯氮的含量,吡咯氮的电子云偏向环内,环外处于吸电子状态,从而可以促进金属Ni单质失电子被完全硫化生成NiS_2纳米颗粒,NiS_2@Mo_2C拥有比NiS_2@Ni更优异的催化性能,电解水仅需1.52 V即可达到10 mA cm~(-2)的电流密度,同时在不同的电流密度下都展示了更强的稳定性以及接近100%的法拉第效率。(3)通过调控镍盐、铁盐的比例,使其高温下自催化生长氮掺杂的碳纳米管包裹Ni_3Fe合金颗粒,利用阴离子调控手段,分别引入S、Se两种阴离子,探究不同阴离子对于前驱物的改性对其性能的影响。通过电化学测试和机理分析发现,Ni_3Fe纳米颗粒经过硫化处理后生成的NiS_2/Fe_7S_8异质结加速水的裂解能力比引入Se原子生成的NiSe_2/Fe_3Se_4更加剧烈,OER反应仅需要330 mV的过电位即可达到50 mA cm~(-2)的电流密度,性能更加优异,同时S和Se的引入都可以进一步促进产物O_2的脱附速率,这种独特的异质结界面是展现出优异OER催化性能的主要原因。(本文来源于《广州大学》期刊2019-05-01）
刘欢欢[5]（2019）在《纳米结构钴基电催化材料的制备及析氢性能研究》一文中研究指出传统化石燃料的过度利用使得世界能源危机和环境污染问题日益严峻。为了缓解该现状,开发来源丰富、环境友好、效率高且可循环的洁净能源具有极其重要的现实意义。氢能由于燃烧热值高、无污染和可持续等特征而被看作传统化石燃料的理想代替者。在众多制氢技术中,电解水制氢因操作简便且所得氢气纯度高而被认为是比较成熟且有效的途径。目前,开发价格低、过电位低、电流密度高且稳定性好的非贵金属基析氢催化剂已成为推动电解水制氢技术发展的关键。钴作为一种过渡金属因自然储量丰富而备受关注,至今已有多种钴基催化剂被应用于电催化领域。本论文采用水热、电沉积、高温热解和化学还原等方法,制备了四种纳米结构钴基催化材料,并对其物理特征及在碱性条件下的析氢性能进行了研究。主要研究内容如下:(1)以叁聚氰胺为原材料,采用高温热解法合成了多层g-C_3N_4,并将其用作基底材料,再以NaBH_4和NaH_2PO_2作为还原剂,通过化学还原法成功合成了叁元Co-B-P/g-C_3N_4,并探讨了在不同NaBH_4和NaH_2PO_2摩尔比下所制备催化剂的析氢催化性能。结果表明,当NaBH_4和NaH_2PO_2摩尔比为7:3时,所制备的叁元Co-B-P-3/g-C_3N_4的电化学活性表面积较大,催化活性和稳定性更佳。在电流密度为10 mA cm~(-2)时,叁元Co-B-P-3/g-C_3N_4所需过电位仅为174 mV。同时,该催化剂在经长达24 h的稳定性测试后仍展现出高的催化活性。(2)采用简单的水热法制备了CoMoO_4前驱体,再将其与叁聚氰胺充分混合,经高温热解原位合成了Co-Mo_2C/N-C。结果表明,当CoMoO_4和叁聚氰胺的质量比为1:15时,所制备的Co-Mo_2C/N-C-15呈现出纳米颗粒堆积的珊瑚状。而未添加叁聚氰胺时所制备的CoMoO_3纳米颗粒团聚现象较明显,且其颗粒尺寸明显比Co-Mo_2C/N-C-15更大。电化学测试结果表明,在10 mA cm~(-2)的电流密度下,Co-Mo_2C/N-C-15所需过电位为212 mV,比CoMoO_3低出140 mV。Co-Mo_2C/N-C-15高的催化活性是由于叁聚氰胺经热解后产生的氮掺杂碳能有效地分散Co-Mo_2C纳米颗粒,使其活性表面积更大,可利用的活性位点增多,从而有利于析氢反应的进行。(3)以NaH_2PO_2同时作为还原剂和P源,RGO作为基底,通过化学还原法在不同Co~(2+)和Ni~(2+)摩尔比下一步制备出叁元纳米球状Co-Ni-P/RGO。结果表明,当反应物中Co~(2+)和Ni~(2+)的摩尔比为7:3时,所制备的叁元纳米球状Co-Ni-P-4/RGO较二元Ni-P/RGO和Co-P/RGO均体现出明显提高的催化活性,仅在217 mV的过电位下其电流密度就能达到10 mA cm~(-2)。此外,叁元纳米球状Co-Ni-P-4/RGO即使在经过长达30h的稳定性测试后仍表现出高的催化活性。(4)基于Sm特殊的4f、5d电子组态以及泡沫镍的叁维多孔结构和高导电性,采用电沉积法在泡沫镍框架上一步制备了叁维蜂窝状Sm_2O_3-Ni-Co,并探讨了不同Sm_2O_3改性剂的量对所制备催化剂的析氢催化性能的影响。结果表明,Sm_2O_3的加入能明显改变Ni-Co薄膜的微观形貌,并提高其催化活性和稳定性。当电流密度为10 mA cm~(-2)时,优化条件下制备的Sm_2O_3-Ni-Co/NF所需过电位为276 mV,比未被修饰的Ni-Co/NF降低25 mV,且该催化剂在经长达30 h的稳定性测试后仍展现出高的催化活性。(本文来源于《西南科技大学》期刊2019-05-01）
徐华杰[6]（2019）在《铈对电催化材料结构与性能调控研究》一文中研究指出环境和能源问题逐渐成为人类面临的世界性难题,研究和开发可再生的清洁能源迫在眉睫。电催化水分解是获取清洁氢能源以及缓解环境污染的重要手段,而电催化析氧反应(OER)反应由于涉及到多重质子耦合电子转移过程,导致氧气析出动力学较为缓慢,成为电解水技术的瓶颈。因而开发高效、稳定、廉价的OER电催化剂,以降低过电势,提高能源利用效率,是亟待解决的关键科学问题。铈(Ce)是地壳中含量最丰富的稀土元素之一,受周围环境的影响,易发生Ce~(4+)?Ce~(3+)转化,生成氧空位,同时铈元素不仅本身具有催化活性,还可以作为助催化剂,以提高催化剂的催化性能,因此发展高效、稳定、廉价的铈基催化剂具有很好的应用前景。为此,本文重点研究铈元素的引入对电催化材料的微观结构调控及性能的影响。主要内容如下:1.绪论对本论文的研究背景进行介绍,着重介绍了类水滑石层状结构、MOFs衍生物以及铈基水氧化催化剂的研究现状,并简要概述了本论文的选题目的和研究意义。2.铈掺杂对类水滑石电催化材料结构及性能的调控研究。本章通过简便的共沉淀方法将Ce原位组装到NiFe-LDH/CNT多层次纳米复合物中,成功制备出了一种新颖的NiFeCe-LDH/CNT纳米复合材料。研究表明铈的引入有效的提高了电催化OER活性,其优异的性能源于诸多的结构优点,如Ce~(3+)的丰富而柔性的配位能力,优异的氧化还原能力,以及形成较强的耦合界面。实验进一步证实通过掺杂Ce进入NiFe-LDH/CNT纳米阵列,显着增大了比表面积及电化学表面积,诱导大量的晶格缺陷生成,同时也有效提高LDH纳米片和碳纳米管之间的电子传输能力。因此高效的协同作用使得NiFeCe-LDH/CNT拥有优异的OER电催化活性,其表现出了较低过电位(227 mV)和塔菲尔斜率(33 mV dec~(-1)),性能优于目前报道的多数的非贵金属催化剂。因此,通过在常温合成条件下构建的性能优异的Ce掺杂LDH电催化纳米复合材料具有良好的应用前景,该合成策略完全可以进一步拓展将其他镧系金属掺杂到层状材料结构中,以发展高效的电解水催化剂材料。3.封装CeO_2纳米颗粒对MOFs衍生的硫化钴电催化材料性能协同作用研究。本章利用ZIF-67为牺牲模板,设计了一种新颖的核壳结构复合材料CeO_2@CoS,成功把CeO_2纳米颗粒封装进ZIF-67衍生的中空CoS中。该核壳结构CeO_2@CoS纳米材料充分利用内部的CeO_2 NPs与外层的CoS相互协同作用,调节CoS电子结构,加快电子转移速率,诱导空位缺陷生成,显着提高OER催化活性和反应动力学。这种将CeO_2 NPs与功能化的MOFs衍生物相结合的策略,为设计高效铈基电催化剂提供了一种新思路。4.CeO_x纳米颗粒对MOF衍生的硫化钴电催化材料性能调控研究。过渡金属硫化物是一类重要的OER电催化材料,本章通过原位生长的方法,将CeO_x纳米颗粒均匀负载在ZIF-67衍生的中空的CoS纳米笼表面,研究表明,控制CeO_x的用量,可以实现准确调控Co~(2+)/Co~(3+)的比率和诱导活性缺陷位点的生成,从而显着促进水氧化进程的进行。值得注意的是,在中空结构CoS表面形成的CeO_x保护层能有效阻止CoS的氧化和活性成分钴元素的腐蚀丢失进入溶液中。该研究提供一种借助CeO_x构建异质结杂化纳米材料提高中空过渡金属硫化物电催化性能的新方法。5.CeO_2纳米棒串联MOFs衍生物电催剂性能研究。金属-有机骨架(MOFs)衍生材料是近年来发展起来的一种新型电催化剂,然而将多活性位点集成到MOF衍生材料中以提高材料功能性仍然是一个巨大的挑战。基于此,本章提出了一种有效构建晶格应变和高能界面的策略。通过沿着长CeO_2纳米棒(L-CeO_2NRs)生长成串的CeO_x/CoS纳米复合材料,该纳米复合材料存在晶格应变和高能界面,可作为高效的OER电催化剂。其设计原则是通过诱导MOF衍生的中空CoS沿CeO_2 NRs外延压缩生长,在CeO_x/CoS单元之间形成晶格应变,并借助所形成的高活性异质结构、晶格缺陷和晶界的协同作用,进而形成高能界面。该研究提供了一种调控晶格应变和界面催化工程新途径,拓宽MOFs衍生材料在催化领域的应用前景。(本文来源于《兰州大学》期刊2019-04-01）
王雅,方志强,史晓雨,楚意月,郝召民[7]（2018）在《镍铁双金属系列电催化材料的研究进展》一文中研究指出氢能源由于其成本低、可再生、绿色环保等优点,成为世界上公认的清洁能源之一.电解水则是目前最有潜力的提供氢燃料的方案之一,镍铁双金属电催化剂由于其来源丰富、成本低、清洁无污染且有较强的催化性能,得到了人们的广泛关注.本文主要综述了近些年来双金属镍铁氧化物和镍铁合金方面的发展与研究,对他们的合成方法,性能及其稳定性进行了深入探讨.(本文来源于《化学研究》期刊2018年06期）
凌崇益[8]（2018）在《二维电催化材料的理论研究与设计》一文中研究指出电化学能量转换,包括电解水制氢、CO_2的电催化还原以及电化学固氮等等,能够实现能源和化学品的可持续、清洁生产。高效的电催化剂是这一技术实际应用的关键问题。尽管过去的几十年中,科研工作者们为此付出了巨大的努力,然而至今为止,仍然没有一种催化剂能够满足商业化应用的需求。层状的二维材料由于比表面积大、电荷转移效率高、力学性能优异、价格低廉以及易于调制等诸多优势,在众多类型的催化剂中脱颖而出。另外一方面,随着计算机性能的不断提升以及相关理论和数值算法的飞速发展,基于第一性原理的计算在科学研究中,包括催化剂的搜索与设计,扮演着越来越重要的角色。本论文采用第一性原理计算,基于二维材料,研究和设计用于电化学能量转换的高性能电催化剂,主要研究内容包括以下几个方面:(1)具有高活性位点密度、高析氢反应催化活性的二硫化钼纳米线。MoS_2是一种有望取代贵金属Pt的析氢反应电催化剂。然而,活性位点集中在边缘、Tafel反应势垒高,导致这类催化剂的活性位点密度低、Tafel斜率高。这些问题制约着MoS_2在电解水制取氢气中的实际应用。根据结构和成键分析,我们发现高的Tafel势垒实际上是由于相邻两个吸附的H原子之间距离(d_(H-H))较大。而实验上最新合成的以Au(755)面为模板的MoS_2纳米线具有非常小的d_(H-H),因此可能具有以往报道的所有MoS_2催化剂中最高的催化活性。通过计算,我们验证了这一猜想。MoS_2纳米线催化析氢反应时,氢气的析出势垒仅为0.49 eV,不仅远远低于其他的MoS_2催化剂(约为1.50 eV),甚至比金属铂(0.80 eV)还要低。因此这一体系可能具有比铂更高的析氢反应催化活性。通过将Au(755)替换为非贵金属衬底,如Ni(755)和Cu(755)等,纳米线的高活性能得以保持。(2)基于简单活性描述符筛选和设计超高析氢反应催化活性的MXenes。MXenes是一类新型的二维层状材料,具有超大的比表面积以及优异的热稳定性。在其实验制备过程中,总能观测到H_2的不断产生。这些现象和性质表明,MXenes可能具有很高的析氢反应催化活性,而到目前为止,并没有相关的报道。通过理论计算,我们发现Ti_2CO_2和W_2CO_2具有很高的催化活性。根据分子轨道理论,我们提出活性位的电荷转移可以作为析氢反应催化活性的描述符。通过分析10种单金属MXenes的计算结果,我们验证了这一描述符的可靠性。利用这一描述符,我们非常高效的从90种双金属MXenes中筛选出TiVCO_2这一具有超高析氢反应催化活性的体系。而对于V_2CO_2这类与H结合太强的体系,我们提出可以通过在表面引入过渡金属助剂来调节其催化活性。由于金属与表面氧原子之间的电荷转移,会削弱氢与表面氧的结合强度,从而提高体系的催化活性。而通过控制金属助剂的种类、覆盖度等,可以对体系的催化活性进行有效的调控。(3)基于硼单层的“单原子多功能”催化剂的设计。单原子催化剂能够实现金属原子的100%利用,同时还具有非常高的催化选择性和活性;多功能催化剂与单功能催化剂相比,往往具有更高的活性以及更低的成本。因此单原子多功能催化剂具有十分重要的经济效益和科学价值。硼单层独特的结构(由多电子的叁元环和缺电子的六元环组成)使其可能是一种很好的单原子催化剂的载体。同时,我们的理论研究表明,最新合成的二维硼单层具有优异的析氢反应催化活性。基于此,我们设计了一个用于水全分解的单原子、双功能催化剂(Ni_1/β_(12)-BM)以及一个CO_2捕获、活化、转换一体化的单原子多功能催化剂(V_1/β_(12)-BM)。Ni_1/β_(12)-BM对析氢反应和析氧反应均有着很高的催化活性,过电位仅为0.06和0.40 V,因此可以实现水的全分解。这也是首次提出―单原子、双功能催化剂‖这一概念。此外,根据已有的实验结果,我们为这一催化剂设计了一条可能的合成路径。V_1/β_(12)-BM与CO_2之间大量的电荷转移可以将捕获的CO_2活化为CO_2~–。CO_2~–可以被有效地还原为CH_3OH,决速步的的势垒仅为1.04 eV。在此过程中,由于空间位阻效应,H_2O的吸附能够使得反应中间体与氢源的距离显着降低,从而降低反应势垒。(4)固氮催化剂的高通量搜索与理性设计。N_2的电催化或者光催化还原有望实现NH_3在室温下的绿色、可持续生产。在这个过程中,一个有效的催化剂至关重要,而这至今仍然是一个巨大的挑战。通过对NRR过程中各反应中间体的相对稳定性的分析,我们发现N_2和NH_2的氢化是整个反应过程中的关键步,决定着催化剂的性能,从而提出了一种普适、高效、精确的两步筛选法用于N_2还原催化剂的搜索。基于此,我们对N掺杂石墨烯负载的单原子催化剂进行了高通量筛选,从540种体系中最终筛选出10种高效的固氮催化剂。其中,单个W原子与叁个C原子配位(W_1C_3)具有最高的催化活性,其起始电位低至0.25 V。此外,根据N_2捕获与活化过程中,电子―接受?反馈‖这一概念,我们设计了一个非金属单原子催化剂,B修饰的g-C_3N_4(B/g-C_3N_4),用于N_2的还原。B/g-C_3N_4能够有效地还原气态的N_2,起始电位仅为0.20 V,是目前所有文献报道的最低值。(本文来源于《东南大学》期刊2018-11-01）
王得丽[9]（2018）在《新型燃料电池电催化材料的结构设计和性能调控》一文中研究指出燃料电池性能的高低在很大程度上受催化剂性能好坏的影响,然而,目前燃料电池常用的有效电催化剂仍是以金属铂(Pt)为主。由于Pt资源的匮乏以及价格的昂贵,造成燃料电池的成本较高,大大限制了其大规模的商品化应用。因此,深入开展对燃料电池催化剂的研究是非常必要和很有意义的。解决这个问题有两种途径:一是提高铂基催化剂的利用率;另外一种是发展非铂基催化剂。在提高Pt的利用率方面,我们课题组主要是构筑新型的Pt基有序金属间化合物催化材料,通过改变Pt与过渡金属原子种类、比例及后处理温度来改善Pt基催化剂的表面结构、合金度及电子结构等,调控其电催化性能。在非Pt催化材(本文来源于《第五届全国储能科学与技术大会摘要集》期刊2018-10-27）
王楠[10]（2018）在《氮掺杂多孔炭基电催化材料的制备及其性能调控》一文中研究指出氧气还原反应(ORR)是新能源储存与转换中涉及的重要电化学反应,由于其动力学过程缓慢,需要应用催化剂促进其反应过程,因而研究低廉高效的ORR催化剂具有实际的应用价值。Metal-free多孔炭材料由于具有良好的电催化活性和稳定性,且来源广、成本低,被认为是最有可能替代Pt/C的电催化材料之一。植物类生物质,不仅含有大量的氮和碳,而且其具有丰富的营养运输通道,是制备氮掺杂多孔炭良好的模板。因此,制备植物基氮掺杂多孔炭材料,对开发低廉高效的ORR电催化剂具有重要意义。本论文取得的主要研究结果如下:(1)以废弃的柚子皮为原料,首先将其在超盐环境(NaCl,ZnCl2和FeCl3的过饱和溶液)中常温浸渍处理,然后再经高温炭化和活化,制备出柚子皮基氮掺杂多孔炭。通过对多孔炭的形貌、结构及电催化活性的表征,最终确定了其最佳炭化和活化的制备条件。与常规的热解炭化方法相比,超盐处理得到的柚子皮基炭具有较高的比表面积(3092.26m2g-1),含氮量(2.81%N/C),并且具有良好的ORR催化活性(E1/2为0.86VvsRHE,JK为10.40mAcm-2),电化学稳定性及抗甲醇性能。其性能超过商业Pt/C催化剂。活性起源可以归因于柚子皮基炭较大的比表面积,较高的石墨化程度以及较高的氮含量。(2)以白萝卜为原料,采用上述相同的超盐处理+炭化+活化的方法,制备了萝卜基氮掺杂多孔炭。制备的萝卜基炭具有独特的六边形孔结构,比表面积为1595.42m2g-1,氮含量为2.92%(N/C)。其ORR电催化活性超过柚子皮基多孔炭和商业Pt/C催化剂。这种优异的ORR活性可归因于其独特的六边形孔结构。(3)分别采用商业炭黑、柚子皮基炭、萝卜基炭为载体,制备炭载氧化镧复合电催化剂。叁种炭载氧化物中,萝卜基炭载氧化镧的活性最好,半波电位为0.90 V。复合催化剂的高ORR催化活性是由于炭与La203之间形成C-O-La共价键,通过此共价键,电子从炭转移到La203上,且占据La上未充满的eg轨道。填充的eg电子不仅能促进氧化物表面活性氧的吸附,而且可以促进溶液中吸附的表面氢氧化物(OH-ad)的脱附,从而促进ORR过程。本论文通过设计实现了一种新颖的,简单且绿色环保的路径制备氮掺杂多孔炭材料,探讨了其在燃料电池等领域中应用的可行性,为发展非贵金属基氧还原电催化材料提供了新的思路。(本文来源于《北京化工大学》期刊2018-05-31）
电催化材料论文开题报告
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)由于理论效率高、工艺简单、成本较低和环境友好等优点而具有广阔的发展前景。作为DSSCs的关键组成部分,对电极(counter electrode,CE)表面的电催化过程对器件性能具有至关重要的影响。传统铂(Pt)基CE价格昂贵并且易被电解质中的碘腐蚀,因此,开发价格低廉且性能突出的非Pt电催化材料具有重要的实用意义和研究价值。碳材料廉价易得、结构丰富、形貌多样化,在不同尺度上(从原子/分子到纳米尺度)调变碳基材料表/界面结构和物理化学特性,构筑CE表面电催化反应的高活性中心,发展碳材料绿色可控合成方法,是当今DSSCs领域面临的重要科学问题。围绕CE表面最为常见的碘还原反应(Triiodide reduction reaction,简称IRR),本论文从原子/分子和纳米尺度开展了IRR催化活性中心构筑与材料合成的研究。同时,作者还系统探究了碳基CE材料元素组成、微观结构、表面形貌与IRR催化性能之间的构效关系。第一,通过绿色、温和的方法制备了一种氨基功能化石墨烯,并成功将其开发为DSSCs对电极材料。研究表明,预先对氧化石墨(GO)进行臭氧氧化可以明显提高其表面含氧官能团数量,有利于GO在水相中的分散;更重要的是,含氧官能团可以为下一步的氨基化提供更多的取代位点,多余含氧官能团可通过光还原加以消除(所得样品标记为AGO-hv)。电化学表征证实,AGO-hv对IRR具有优异的催化性能,DSSC器件获得了7.51%的能量转换效率(PCE),性能接近于相同条件下的Pt基CE(7.79%)。从理论计算出发,研究了石墨烯上不同氮掺杂类型对IRR电催化性能的影响机制和规律。密度泛函理论(DFT)计算表明,AGO-hv具有较低的电离能,并且AGO-hv上的吡啶氮与I原子结合能适中,更有利于电催化反应的进行。第二,以天然褐煤为牺牲模板,通过高温热解法制备出含有洋葱包覆结构以及无定形SiO2的石墨化碳基质材料。同时,作者考察了焙烧温度和活性组分对其结构组成和电催化性能的影响。在该材料中,石墨化碳层包覆Ca基粒子形成的纳米结构具有较好的化学稳定性,当使用盐酸刻蚀时,包含在洋葱状碳结构中的Ca物种几乎未被除去。另外,实验结果证实,材料中的SiO2对IRR电催化性能具有促进作用。将制备的材料用作DSSC对电极,器件获得了9.03%的PCE,明显高于Pt基CE组装的器件性能(8.24%)。第叁,以柚子皮为碳源,通过活化和热解法制备出具有高比表面积、良好孔隙率且富含多种活性组分的生物质碳材料。研究表明,作为热解过程中的活化剂和模板剂,氯化锌(ZnCl2)的作用主要体现在增大比表面积和形成优良孔结构,有利于增加催化活性位点并促进传质。同时,这种生物质衍生碳材料含有丰富的杂原子,有助于在碳材料表面造成电荷分布局域化,从而形成催化活性中心。电化学表征结果证实,该碳材料作为CE对IRR具有优异的电催化性能,DSSC器件获得了8.29%的PCE,与使用Pt基CE的器件性能(8.24%)相当。第四,制备了一种新型高效MOFs衍生的碳基单原子催化材料。利用ZIF-67作为前驱物,通过增大碳材料比表面积并控制载体与金属间的强相互作用,制备出了单个Co原子分散的负载型催化材料。使用该策略制备单原子催化材料的优点如下:ZIF-67中存在丰富的金属配位点和理想的限域空间,配体可以在空间上分隔金属结点,使得热解过程中金属原子迁移受限,最大程度避免了金属原子间的自团聚行为,因而使得金属能够以单个原子的形式负载在碳表面。研究结果表明,该材料对IRR具有优异的电催化活性,作为CE组装出的DSSC器件获得了7.89%的PCE,优于Pt基器件(PCE为7.76%)。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
电催化材料论文参考文献
[1].周睿,韩娜,李彦光.铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展[J].电化学.2019
[2].景洪宇.用于DSSCs对电极碘还原反应的碳基电催化材料制备及性能研究[D].大连理工大学.2019
[3].刘一蒲.基于电子结构优化的水裂解电催化材料的设计研究[D].吉林大学.2019
[4].王璟瑜.自催化生长的碳纳米管基电催化材料及其电解水性能研究[D].广州大学.2019
[5].刘欢欢.纳米结构钴基电催化材料的制备及析氢性能研究[D].西南科技大学.2019
[6].徐华杰.铈对电催化材料结构与性能调控研究[D].兰州大学.2019
[7].王雅,方志强,史晓雨,楚意月,郝召民.镍铁双金属系列电催化材料的研究进展[J].化学研究.2018
[8].凌崇益.二维电催化材料的理论研究与设计[D].东南大学.2018
[9].王得丽.新型燃料电池电催化材料的结构设计和性能调控[C].第五届全国储能科学与技术大会摘要集.2018
[10].王楠.氮掺杂多孔炭基电催化材料的制备及其性能调控[D].北京化工大学.2018