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Adv Energy Mater: 用于高效氧还原催化的过渡金属修饰多孔碳纳米催

发布时间:2020-01-15 18:35    点击次数:115次   

  原标题:Adv. Energy Mater.: 用于高效氧还原催化的过渡金属修饰多孔碳纳米催化剂

  化石燃料在工业和日常生活中的消耗造成了严重的能源和环境问题,迫使人类社会寻找更高效、更清洁的能源供应。燃料电池以其高效、环保、高可靠性等优点而成为最有发展前途的能源器件之一,其中低温质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是目前研究最多、发展最迅速的一类燃料电池。然而,PEMFCs的商业化一直受到阴极氧还原反应(ORR)催化剂的限制。目前,最先进的铂基ORR催化剂仍存在成本高(燃料电池成本的20%)、Pt的严重稀缺性和耐久性差等缺点。因此,开发Pt催化剂的替代品是燃料电池商业化推广所面临的关键问题之一。近年来,负载过渡金属(TM)的多孔碳纳米结构由于其有趣的结构及优异的性能而受到广泛的关注,包括能量转换和存储、多相催化、传感器等。在ORR催化剂领域,TM修饰的多孔碳纳米结构具有高的催化性能和长期稳定性,也是目前研究的热点之一。

  最近,Adv. Energy Mater.在线刊登了北京大学侯仰龙教授、重庆工商大学古兴兴副研究员等人总结的用于高效氧还原催化的过渡金属修饰多孔碳纳米催化剂的综述。题目是“Efficient Oxygen Reduction Catalysts of Porous Carbon Nanostructures Decorated with Transition Metal Species”。在这篇综述中,作者介绍了近年来过渡金属修饰多孔碳纳米结构的研究进展,同时还详细介绍了几种制备方法。此外,作者还对ORR催化剂的性能和活性部位的研究进行了探讨。最后,作者进一步对ORR催化剂所面临的挑战和前景进行了展望,为今后ORR催化剂的发展提出了自己的见解。

  子分散TM修饰多孔碳纳米结构举例(a)多孔M-N-C(M = Co和Fe)电催化剂的构建示意图;(b)Fe-NC-900扩大的HAADF-STEM图;

  (b~c)一个氧原子在(b)一个CeO2(111)表面和(c)一个CeO2(111)/Co(111)表面的化学吸附模型的原子界面电子结构计算;

  综上所述,作者认为采用模板法、自模板法、湿化学法等方法所制备的TM修饰的多孔碳纳米结构被认为是高效ORR电催化剂之一。

  同时,作者进一步总结了制备纳米结构具有高活性催化性能的指导原则:1)提高纳米催化剂比表面积;

  4)掺杂杂原子;5)各组分原子以单原子形式分布均匀。此外,作者还指出,虽然最近的研究表明ORR的催化性能是令人满意的。

  然而,在进一步探索ORR催化剂方面仍存在一些问题:1)TM基催化剂的长期稳定性有待进一步提高;2)碳基催化剂的活性质量比不够高;3)对无热解的ORR催化剂的研究还需要进一步的探索;

  4)对ORR的反应过程需要更深入的了解,包括反应途径、活性位点的识别、界面行为等;5)建立标准的膜电极组装(MEA)测试条件和方法,提高MEA的测试性能。作者认为,研究高效、稳定的ORR催化剂对ORR电催化剂在能源和材料领域的进一步发展具有重要的意义。最后,作者期望这些合理的设计策略和活性位点的研究总结将有助于ORR电催化剂的开发,并在学术研究和工业应用中激发出更多的创新进展。文献链接:Efficient Oxygen Reduction Catalysts of Porous Carbon Nanostructures Decorated with Transition Metal Species(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900375)团队介绍侯仰龙教授团队长期从事能源储存与转化和能源材料等领域的研究工作,对燃料电池电催化剂和无机功能材料的最新进展有着系统深入的了解。


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