金屬所納米碳材料高效催化過氧化氫電合成研究取得進展

2020-11-24 中國科學院

　　過氧化氫（H2O2）是一種綠色、可再生、環境友好的氧化劑，廣泛應用於環境修復、精細化工、電子工業等領域。過氧化氫的工業生產主要依賴以氫氣和氧氣為原料的「蒽醌法」，但該方法存在能耗高、原料和產物轉移和儲存困難、安全隱患嚴重等問題。通過電化學氧還原途徑製備過氧化氫的新方法，作為一種潛在的替代路徑受到重視。目前電化學氧還原製備過氧化氫過程使用的催化劑主要是貴金屬材料（Pd、Au、Ag、Pt-Hg等），但其儲量有限、價格高昂，難以滿足現代化工對綠色、環保和可持續發展的需求。納米碳材料有望作為貴金屬催化劑的替代材料，應用於電化學氧還原反應。 

　　中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心聯合研究部能源催化材料課題組致力於碳催化反應過程和新穎碳催化反應體系的研發，近期在納米碳材料高效催化過氧化氫電合成領域取得進展。課題組通過關聯典型碳材料表面化學結構與其催化氧氣電化學還原生成過氧化氫的反應活性發現，二電子氧還原反應的選擇性與碳材料表面的羰基和羧基含量呈線性正相關關係，羧基的本徵活性是羰基官能團的5倍以上。碳材料表面的羧基官能團是氧氣電化學還原製備過氧化氫的主要活性中心。上述碳催化氧氣電化學還原反應活性中心和反應動力學的研究結果還表明，氧還原反應的選擇性主要取決於過氧化氫與羧基官能團之間的結合能力。碳材料表面的羧基活性位點上二電子氧還原過程生成的過氧化氫若不能及時脫附，極易被進一步還原發生四電子反應生成水，因此如何保證過氧化氫在活性中心上及時脫附是提高其選擇性和產率的關鍵。 

　　基於上述反應過程和機理分析結論，課題組博士齊偉與北京大學教授郭少軍、福州大學謝在來課題組開展合作，提出利用界面工程手段和反應動力學思想來調控碳催化電化學氧還原反應選擇性的研究思路。具體作法是，利用陽離子表面活性劑（如三甲基十六烷基溴化銨）與羧基基團的靜電相互作用降低碳材料表面羧基官能團與二電子氧還原產物HO2-的相互作用，阻止其被進一步還原，從而實現高選擇性電合成過氧化氫的過程。這種碳/表面活性劑複合催化材料體系展現出目前已知報導最高的過氧化氫選擇性（＞96%）、最寬的過電位窗口（＞0.8V）和可觀的穩定性（＞10h）。基於納米碳/表面活性劑複合電極材料在過氧化氫電合成反應中的優異催化表現，整個反應體系能耗低、綠色、可持續、穩定性好的特點。該研究對設計開發具有實際應用前景的高產率、高穩定性和低成本的電合成過氧化氫化合物體系具有指導意義。 

　　相關成果發表在Journal of Colloid and Interface Science、Chem上。相關研究得到國家自然科學基金、中科院青促會項目、遼寧省自然科學基金和瀋陽材料科學國家研究中心資助。

　　論文連結：1  2 

　　 

　碳/表面活性劑體系催化氧還原反應高選擇性生成過氧化氫的促進作用示意圖

　氧還原反應二電子選擇性與碳材料表面含氧官能團（-COOH，C=O）數量之間的關係：動力學擬合和實驗結果的對比

不同電催化劑體系對過氧化氫選擇性和電位窗口寬度的比較：碳/表面活性劑體系的優勢。

反應前後碳/表面活性劑體系的化學組成和結構：XPS O1s譜和NEXAFS C/O的K-edge譜

碳/表面活性劑體系催化氧氣電化學還原反應機理和動力學分析：表面活性劑促進過氧化氫脫附

碳/表面活性劑體系催化氧氣電化學還原高選擇性製備過氧化氫：高效率和長期穩定性

相關焦點

  • 【催化】納米碳催化作用本質研究取得重要進展
    ，催化活性保持時間長等優勢，其作為一種可再生的環境友好催化劑，可以替代傳統的金屬及其氧化物催化劑直接應用於烷烴催化轉化等相關反應中。經過近20年的發展，研究者在納米碳催化劑製備方法及其在不同催化體系中的應用等方面已經取得了顯著的進步,但是在分子或原子尺度上對納米碳催化本質過程的解釋，以及納米碳催化劑本徵活性的評價和比較等問題上仍不清楚。
  • 貴金屬磷化物的合成及電催化分解水的研究進展
    近年來, 研究者致力於開發各種性能優良的電催化劑. 其中, 貴金屬磷化物因其突出的催化活性、全pH值適用性以及相比於Pt基催化劑的成本優勢而極具發展前景.北京理工大學張加濤教授就這一研究領域的最新進展進行了概述, 以電解水反應機理為基礎, 總結了貴金屬磷化物的主要合成方法, 並詳細討論了貴金屬磷化物在電解水方面的應用現狀.
  • 廉價電催化水分解研究領域取得重要進展催化效率大幅提高
    記者13日從中南大學獲悉，中南大學材料科學與工程學院劉小鶴教授團隊在廉價電催化材料領域取得了系列進展，《先進功能材料》《應用催化B:環境》等國際權威期刊連續發表了該團隊最新研究成果。 　　氫能是最具前景的清潔能源之一，電解水產氫是目前較為理想的制氫技術。然而，這項技術的廣泛應用一直被高價的貴金屬催化劑所制約，亟待尋找廉價的高性能電催化劑替代貴金屬催化劑。
  • 中科院金屬所:碳基材料催化一級醇高值轉化研究中獲進展
    中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心聯合研究部能源催化材料課題組致力於研究金屬催化材料的高效利用與替代，尤其是在納米碳催化反應機理和過程及新穎碳催化反應體系中開展了深入研究。近期，科研團隊在納米碳基材料高效催化一級醇轉化研究中獲進展。
  • 福建物構所在過渡金屬界面催化研究中取得進展
    目前中國、美國、加拿大、日本和歐盟等都制定了相應的氫能發展規劃，我國已在氫能領域取得了多方面的進展，在將來有望成為氫能技術應用領域的先鋒。氫氣通常需要通過其它能源途徑製取；電解水作為一種零汙染的制氫方法，具有極高的應用潛力。當前，電解水制氫的最大問題在於電極材料催化活性差，過電位高，造成過多的電能消耗，而國內外學者在電極材料研究方向大多集中在成分、宏觀結構調控等方面。
  • 大連理工大學在高效光/電催化應用研究取得重要進展
    為探索新能源的可持續發展，基於光催化與電催化研究引起了學術界的廣泛關注。大連理工大學精細化工國家重點實驗室孫立成院士團隊的侯軍剛教授在該領域取得重要進展。在太陽能光催化分解水領域，如何提高光生載流子的定向移動，避免載流子複合，成為光催化體系中的關鍵科學問題。
  • 有機-無機雜化納米材料電催化CO2還原反應的研究進展
    該綜述論文首先介紹了CO2電還原的相關測試裝置和評價指標，以及有機、無機及其複合納米材料在ECR中的反應路徑等（圖2）。隨後系統地綜述了有機-無機雜化催化劑的設計與合成以提升CO2還原性能的研究進展，主要涉及分子催化劑/碳材料複合物、有機配體功能化的金屬催化劑、金屬有機框架（MOFs）、以及基於共價有機框架（COFs）、金屬硫化物和g-C3N4的有機-無機雜化納米材料等。
  • 華中師範大學在電催化還原CO2研究領域取得重要進展
    電催化二氧化碳還原反應（CO2RR）可以通過可再生能源電能將溫室氣體二氧化碳轉化為有價值的化學物質和燃料，對可再生能源的存儲和緩解氣候變化都至關重要，從而吸引了國際研究領域的廣泛關注，其中的關鍵是高效催化材料製備以及相關催化機理。
  • 北理工在金屬銻單原子催化劑構築及電催化CO2還原取得重要進展
    近日，北京理工大學張加濤教授與陳文星副研究員在單原子催化劑的合成及性能研究方面，與清華大學李亞棟院士、王定勝副教授團隊合作，在主族金屬單原子銻（Sb）催化劑構築及高效電催化CO2RR應用的研究中取得重要進展，相關成果以「Discovery of Main Group Single Sb-N4 Active Sites
  • 金屬酶及模擬配合物催化分子氧活化的反應機理研究取得進展
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室生物無機催化研究組研究員葉生發團隊與臺灣師範大學教授李位仁、馬克思-普朗克化學能源轉化研究所教授Schnegg合作，在金屬酶及模擬配合物催化分子氧活化的反應機理研究中取得新進展。氧化反應通常是放熱反應，具有很高的驅動力，但需要克服氧分子從自旋三重態轉換到自旋單重態產生的高動力學勢壘。
  • 合肥研究院發展新型鐵單原子催化劑實現高效電催化固氮合成氨
    合肥研究院發展新型鐵單原子催化劑實現高效電催化固氮合成氨 2020-05-14 合肥物質科學研究院 >實現高效電催化氮氣還原合成氨。
  • 中國科大雜化二維超薄結構電催化還原二氧化氮研究獲進展
    近日，中國科學技術大學教授謝毅、特任教授孫永福課題組在雜化二維超薄結構的合成及應用領域取得重要進展。該工作有助於讓研究者重新思考如何獲得高效和穩定的CO2電還原催化劑，也對推動電催化還原CO2機理研究具有重要的意義。
  • 在極性材料光催化研究方面取得系列進展
    目前這類材料主要應用於非線性光學、鐵電、功能性陶瓷與薄膜等。 中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術研究室的科研人員在具有內建電場的硼氧結構基元的極性光催化材料的製備及應用方面取得系列進展。研究人員分析了該類材料對氯酚類汙染物的去除能力，結合開爾文探針力顯微實驗證實了內建電場的存在（Chemistry of Materials, 2014, 26, 3169）；藉助密度泛函理論（DFT）手段確證了極性材料電子結構及光生電荷轉移過程（Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 12179）；考察了在不同金屬離子半徑作用下導致的不同極化場對有機汙染物降解性能的影響
  • 大連化物所在合成氨反應機理研究中取得新進展
    實現溫和條件下氨的高效合成一直是催化領域的重要研究課題。這些基於團簇反應的研究結果暗示了在Fe-LiH表（界）面形成的Li4FeH6很可能是催化活性中心，而N2的活化則有可能從傳統Fe基催化劑C7位上的均裂過程轉變為「氫助解離」機制。這項研究加深了對LiH-3d過渡金屬催化劑上合成氨反應機理的認識，為新型高效合成氨催化劑的設計開發提供了思路。
  • 中國石油大學吳明鉑團隊在電催化還原CO2領域取得新進展
    近日，中國石油大學（華東）吳明鉑教授領銜的新型碳材料團隊在高活性金屬氮碳材料電催化還原二氧化碳研究方面取得新進展。相關研究論文《高分散鐵氮氧五配位單原子催化劑高效電催化還原二氧化碳》（Hierarchically micro- and meso-porous Fe-N4O-doped carbon as robust electrocatalyst for CO2 reduction）在國際材料領域權威期刊Applied Catalysis
  • 寧波材料所在電化學製備過氧化氫研究中取得進展
    與此相比，利用簡易的電化學裝置，通過2e-的電化學氧還原反應（2e- ORR）過程製備H2O2，可有效避免H2O2的大規模運輸，實現H2O2現制現用，具有安全便攜、綠色環保的特點，具有廣闊發展前景，該技術的核心是開發新型高效、低成本的電催化劑。因此，深刻理解催化反應機制，建立催化劑結構與性能之間的「構效關係」具有重要的現實意義。
  • 武漢理工大學在高效等級孔分子篩單晶催化材料研究取得重要進展
    近日，武漢理工大學材料複合新技術國家重點實驗室生命複合材料團隊陳麗華研究員在高效等級孔分子篩單晶催化材料研究領域取得重要進展。分子篩單晶實現高效催化）為題，在國際化學頂級期刊《德國應用化學》上在線發表。
  • 金屬-氮-碳單原子催化合成過氧化氫過程中金屬中心的本徵活性
    金屬-氮-碳單原子催化合成過氧化氫過程中金屬中心的本徵活性 作者：小柯機器人 發布時間：2020/12/19 16:06:29 雪梨大學Yuan Chen團隊揭示了金屬-氮-碳單原子催化合成過氧化氫過程中金屬中心的本徵活性。
  • 我國科學家在低溫合成氨研究中取得重要進展
    人民網大連9月1日電 近日，大連化物所潔淨能源國家實驗室（籌）陳萍研究員、郭建平博士在催化合成氨研究方面取得重要進展。該研究組創新性的提出了「雙活性中心」催化劑設計策略，並由此開發出了一系列過渡金屬與氫化鋰組成的複合催化劑體系，實現了氨的低溫催化合成。相關研究成果於近期發表在《自然-化學》期刊上。
  • 中國石油大學（華東）吳明鉑團隊在電催化還原CO2取得新進展
    近日，中國石油大學（華東）吳明鉑教授領銜的新型碳材料團隊在高活性金屬氮碳材料電催化還原二氧化碳研究方面取得新進展。相關研究論文《高分散鐵氮氧五配位單原子催化劑高效電催化還原二氧化碳》（Hierarchically micro- and meso-porous Fe-N4O-doped carbon as robust electrocatalyst for CO2 reduction）在國際材料領域權威期刊Applied Catalysis B: Environmental