氧還原為過氧化氫的催化劑設計、合金的原位轉變、Cu團簇、ReS2/CC...

2021-01-07 騰訊網

01

電化學氧還原為過氧化氫的催化劑設計

在環境條件下實現精確的電化學合成為可再生能源的利用提供了新的機會。在許多潛在的系統中，由於市場需求的增長以及陰極氧氣還原反應（ORR）在電催化領域中的重要作用，過去數十年來，在ORR生產過氧化氫（H2O2）方面引起了人們的極大興趣。在這篇綜述中，美國萊斯大學汪淏田（Haotian Wang）課題組和上海交通大學蔣昆課題組合作，描述了正極材料從2e-ORR合成H2O2的最新進展。通過以Pt為基準，概述了一些調節策略，包括含氧物種的本徵結合強度，中間擴散路徑以及實現從4e-總還原路徑實現2e-ORR路徑。該策略已成功地應用於其他過渡金屬系統，並進一步發現了活性和選擇性都得到有效改善的合金催化劑。此外，還對碳基材料的介觀結構設計和雜原子摻雜策略進行了綜述，與完整的碳位點相比，它們顯著提高了H2O2的生產效率。最後，簡要展望了將已開發催化劑從實驗室規模測試轉移到試點工廠運營的未來方向和相關挑戰。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202003321

02

間隙合金的原位轉變用於CO電還原

用電化學方法將CO還原為附加值產品對於存儲可再生能源極具前景。銅可以在CO電還原過程中將CO轉化為多碳（C2+）產品。然而，開發對CO還原具有高選擇性和對C2+產物具有所需產率的Cu電催化劑仍然存在一定挑戰。在本文中，中國科學技術大學吳宇恩課題組聯合南京師範大學李亞飛課題組、國家同步輻射實驗室姚濤課題組，分析了具有豐富孿晶結構的高度晶格-無序的Cu3N作為前體電催化劑的CO還原量。通過在CO還原反應（CORR）中原位活化和氮的伴隨釋放，所獲得的金屬Cu°催化劑顆粒繼承了母體Cu3N晶格中存在的晶格位錯。在液流電池系統中，電流密度為727 mA cm-2時，脫硝的催化劑可提供前所未有的90%以上的C2+法拉第效率。使用具有固態電解質（SSE）的膜電極組件（MEA）電解槽，在正極和含SSE層的出口處有17.4 vol%的乙烯流量和濃度為1.45 M的液態流量和230×10-3M C2+產物。

03

Cu團簇選擇性地將CO2還原為CH4

先前的密度泛函理論（DFT）計算表明，亞納米級的Cu團簇（如13個原子）有利於從CO2還原反應（CO2RR）中生成CH4，但缺乏實驗證據。在此，深圳大學何傳新課題組通過對碳缺陷和微孔的雙重限制，開發了一種輕鬆的浸漬-煅燒途徑以實現Cu團簇，其直徑約為1.0 nm，具有約10個原子。這些Cu團簇對CO2RR具有高的選擇性，對CH4的最大法拉第效率為81.7%。計算和實驗結果表明，Cu團簇增強了*H和*CO中間體的吸附，從而促進了CH4的生成，而不是H2和CO。Cu團簇和缺陷碳之間的強相互作用優化了Cu團簇的電子結構，以提高生成CH4的選擇性和穩定性。這裡提供了第一個實驗證據——亞納米級的Cu團簇促進了CO2RR生成CH4。

04

ReS2/CC電催化劑用於高效HER和OER

在環境和能源相關主題中，合成堅固、低成本、清潔且可持續的電催化劑，以及實現高性能、低過電位和良好耐久性的設計非常重要。在本文中，鄭州大學嶽新政/劉仲毅/Sha‐Sha Yi課題組首次通過簡單的水熱法和隨後的熱處理（H2/N2流），在碳布上生長了由金屬Re和ReS2納米片組成的硫（S）缺陷設計自支撐陣列電極（稱為Re/ReS2/CC）。在酸性介質下，所製備的Re/ReS2-7H/CC對於電催化氫氣析出反應（HER），可提供42 mV的相當低的過電位，以實現10 mA cm-2的電流密度以及非常小的Tafel斜率（36 mV decade-1），可與某些潛在的HER催化劑相媲美。此外，在兩-電極系統中，在鹼性條件下記錄的電池電壓為1.30 V。表徵和密度泛函理論結果表明，Re/ReS2-7H/ CC中引入的S缺陷可以提供豐富的活性位點，從而有利地捕獲電子，增強電子傳輸能力，並削弱H*在活性位點的吸附自由能，從而有助於其卓越的電催化性能。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202003007

05

雙金屬MOF實現出色的雙功能氧電催化性能

近年來，科學家們越來越關注金屬-有機框架（MOFs）在電催化領域中的應用。在此，揚州大學龐歡課題組使用水熱法製備了可以直接用作高效電催化劑的超薄Ni/Co雙金屬MOF納米帶。優化的Ni/Co超薄納米帶可以達到0.939 V的起始電位（非常接近Pt/C的0.940 V），並且對氧氣還原反應（ORR）表現出優異的穩定性（相對於Pt/C）。此外，在電流密度為10 mA cm-2的情況下，Ni/Co超薄納米帶顯示出1.478 V的氧氣析出反應（OER）電位，這比IrO2的電位要好得多，表明MOF作為金屬-空氣電池中的雙功能氧電催化劑具有很大潛力。此外，經過OER和ORR處理後，Ni/Co超薄納米帶樣品的顏色略淺，可以看出通道變得模糊但仍然存在。Ni/Co超薄納米帶在催化前後的X射線衍射、紅外光譜和X射線光電子能譜結果基本相同。研究結果表明，超薄的帶狀結構以及鎳和鈷之間的協同作用對於調節電催化活性至關重要。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.201800240

（本期作者：毛毛的維）

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