摘要：氨(NH_(3))作为重要的化学品和能源储存介质,需求量与日俱增.本文旨在通过电化学硝酸根还原反应(NO_(3)^(−)RR),将NO_(3)^(−)转化为NH3,不仅解决了NO_(3)^(−)引起的环境污染问题,又可以满足对NH_(3)的迫切需求.然而,NO_(3)^(−)RR涉及多个电子和质子转移过程,其中,NO_(2)^(−)是NO_(3)^(−)活化转化和深度还原合成NH_(3)的重要中间体.酞菁铜(CuPc)能够高效地活化转化NO_(3)^(−)为NO_(2)^(−),但在低过电位时无法有效地将NO2−还原为NH3,难以获得较高的氨法拉第效率(FENH3)和分电流密度.而氮配位的铁单原子催化剂(FeNC)则有较好的NO_(2)^(−)吸附活化特性.因此,利用双组分催化剂之间的协同作用以实现高效NO_(3)^(−)RR的活性和选择性是本文的主要研究思路.本文设计了CuPc/FeNC串联催化剂,利用CuPc和FeNC对NO_(3)^(−)和NO_(2)^(−)的吸附活化能力的差异,实现了高效的协同催化转化.X射线衍射、高角环形暗场扫描透射电镜、X射线光电子能谱及X射线吸收谱结果表明,FeNC催化剂中Fe原子均匀分布于ZIF-8热解后的基底.通过将FeNC和CuPc负载于气体扩散电极,在流动电解池中完成NO_(3)^(−)***/FeNC催化剂在较低电势区间中能够实现接近100%的NH3法拉第效率,同时在−0.57 V ***时达到273 mA cm–2的NH3分电流密度,并且在整个电势范围内有效地抑制了NO_(2)^(–)聚集.与单组分催化剂CuPc和FeNC对比结果表明,在−0.53 V ***时,CuPc/FeNC催化剂表现出较高的FE(NH_(3))/FE(NO_(2)^(−))比值,是CuPc催化剂的50倍;同时CuPc/FeNC催化剂上NH3分电流密度是FeNC催化剂的1.5倍.进一步研究了NO_(3)^(–)RR中的串联反应机制,其中FeNC催化剂表现出较高的NO_(2)^(–)RR活性,并且有效抑制了析氢反应.此外,CuPc/FeNC催化剂和FeNC催化剂在NO_(2)^(−)RR中表现出类似的NH3分电流密度,这表明在NO_(3)^(−)RR中,CuPc/FeNC催化剂性能的提高来源于FeNC位点能够进一步还原CuPc位点产生的NO_(2)^(–).理论计算结果表明,FeNC比CuPc表现出更强的NO_(2)^(–)吸附活化能力,说明NO_(2)^(−)在FeNC上更容易进行加氢还原.NO_(3)^(−)RR反应全路径分析结果表明,对于^(*)NO_(3)还原到*NO2过程,CuPc相对于FeNC位点具有明显降低的反应自由能,说明CuPc有利于NO_(2)^(−)的生成;而FeNC位点在后续的^(*)NO_(2)还原合成^(*)NH_(3)过程中具有更低的反应自由能,这与实验结果一致.一系列非原位和原位表征证明了CuPc催化剂在高电位下存在少量金属颗粒析出,与CuPc催化剂在高电位下NH_(3)分电流密度快速增加结果一致.综上,本工作中CuPc和FeNC催化剂之间的协同作用弥补了各自的不足,通过串联反应机制,在低过电位下有效增加了NH_(3)的法拉第效率和电流密度,实现了高效的协同催化转化,为设计和合成高效催化剂提供了新思路.

摘要：近年来,固体氧化物电解池(SOEC)作为一种高效的电化学能量转换装置,由于其大电流密度、高法拉第效率和高能量效率受到广泛的关注。阳极析氧反应(OER)是SOEC中重要的电极反应,涉及四电子转移过程,反应动力学缓慢,在电解过程中阳极极化电阻较大且能耗高。因此,设计高效稳定的阳极材料对提高SOEC性能及推动SOEC实际应用至关重要。近年来,高性能阳极研究取得了一系列进展。在本综述中,重点介绍了CO_(2)和H_(2)O电解的反应机理,总结了不同类型阳极材料的物理化学和电化学性能,讨论了各种有效的阳极优化策略。此外,还对SOEC的未来研究进行了展望。这对阳极材料的发展和SOEC的实际应用有一定的指导意义。

摘要：电催化是发展可持续洁净能源技术的基础科学,是电化学能源转换和物质转化的关键环节.精准合成催化活性纳米结构是制约很多电催化反应走向实际应用的重要挑战.与湿化学合成、固相合成和气相沉积等传统方法相比,电化学合成是一种简单、快速、廉价及可控的高效催化材料制备方法,也是一种最为直接的一体化电极制备方法.本文综述了近年来利用电化学合成方法制备高效能源催化材料的研究进展.首先,简要介绍了电沉积、阴极腐蚀、电化学去合金化、电化学置换、电化学剥离和电化学修饰等几种主要电化学合成方法的基本原理,并讨论了电化学合成中电势、电流和电解质组成等关键合成参数的影响.然后,重点讨论了电化学合成的催化材料在燃料电池、电解水、二氧化碳/一氧化碳电还原、电化学合成氨、有机分子电化学转化等重要电催化反应中的应用.这些催化材料按照形貌可分为单原子催化剂、球形纳米粒子、形貌可控的纳米粒子、二维层状/片状纳米材料和三维纳米结构等.电化学合成在制备结构明确的单原子催化剂上具有其它合成方法不可比拟的优势.与胶体化学方法相比,电化学合成的尺寸和形貌可控的纳米粒子具有表面清洁、无表面附着的有机配体以及不需要焙烧等催化剂预处理的特点.除形貌外,电化学合成还可以制备在原子尺度上具有特定几何和电子结构的催化活性纳米结构.电化学方法也是催化剂修饰和再生的一种重要途径,结合特定的电化学程序,可在连续操作条件下实现催化材料的原位再生.通过讨论代表性的催化剂案例,分析这些催化剂在电催化应用中的构效关系,阐明了电化学合成方法在催化剂理性设计和制备中的独特优势.最后,总结了当前电化学合成催化材料方面存在的问题和研究挑战,并展望了未来的发展方向.电化学合成的能源催化材料在热催化、光催化等领域的应用价值仍需进一步探索.此外,电化学合成在金属有机框架、高熵合金等新兴功能材料的制备上也具有很好的应用前景.如何利用电化学的特点并结合原位表征、大数据预测等先进实验和理论方法,更加精准、可控地合成催化活性纳米结构依然是未来该领域重要的研究机遇.

摘要：大气中过高的CO_2浓度严重影响自然界的碳循环平衡,对全球气候和生态环境提出了严峻挑战.但同时CO_2作为一种潜在的碳资源,可通过催化转化生成高附加值的化学品. CO_2电化学还原反应(CO_2RR)可利用太阳能、风能等可再生能源产生的电能将CO_2直接转化生成高附加值化学品和燃料,有助于构建'碳中性'的能源循环利用网络,具有极具潜力的应用前景.然而,活化稳定的CO_2分子需克服一定的过电势,且由于反应在水相中进行, CO_2RR与析氢反应互相竞争,因此开发高效、廉价、稳定的催化剂一直是CO_2RR研究的难点.研究表明,含有金属-氮(M-Nx)活性位的催化材料如卟啉、酞菁等大环配合物、金属有机骨架材料以及通过热解法制备的金属-氮-碳(M-N-C)材料具有优异的CO_2RR性能.本文从实验和理论两方面综述了近年来该类材料领域的相关进展,重点介绍了金属位点种类、配体结构、载体选择对催化剂本征活性的影响,并讨论了反应条件优化对CO_2RR性能提升的作用.结合原位表征和理论计算结果探讨了含M-Nx材料反应条件下活性位的结构及反应路径,为合理设计和优化CO_2RR催化剂体系提供了新思路.

摘要：新型催化方法的研究有助于实现二氧化碳和甲烷等小分子资源的高效利用,从而优化目前的碳循环工艺.二氧化碳和甲烷分子具有较高的键能,所以它们均为最稳定的分子之一.在过去十年,如何实现二氧化碳和甲烷分子的活化一直是世界难题.传统热催化通常使用化石燃料作为能源进行小分子活化,不仅效率低,同时会伴随着大量的二氧化碳生成.最近几年,一系列具有应用前景的催化方法逐步被研究验证.本文不仅系统性地介绍了光/热耦合电催化在二氧化碳和甲烷等小分子催化转化中的应用,而且对新型光/热耦合电催化剂的设计合成进行了展望.

摘要：利用太阳能、风能等可再生清洁电能将CO_(2)催化转化为高附加值化学品或燃料,在CO_(2)转化和可再生电能存储方面表现出极具潜力的应用前景.高温固体氧化物电解池(SOEC)可将CO_(2)电催化还原为CO,具有能量效率高、成本低等优点.目前,钙钛矿氧化物已被广泛应用于SOEC电解CO_(2)的阴极材料,但存在电极催化活性低等问题,因而限制其规模化发展和应用.通常采用浸渍、原位溶出或掺杂等策略引入大量活性中心以提升钙钛矿氧化物电极性能.然而,这些策略仍然面临一些挑战,如浸渍法易引入大颗粒物种而堵塞气体传输通道,原位溶出法能耗较大且析出量较少,掺杂法调控活性幅度有限.因此,发展新型简便方法以合理构建具有高度分散活性位点的阴极材料,可有效拓展电化学三相反应界面,进而加快SOEC高温电解CO_(2)的电极动力学速率.本文采用机械研磨法将1.0%NiO高度分散于La_(0.8)Sr_(0.2)FeO_(3)–δ-Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(2)–δ(Ni-LSF-SDC)表面,用作SOEC阴极材料进行CO_(2)电解.扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜(STEM)和X射线衍射等结构表征表明,低载量的Ni物种高度分散在LSF-SDC表面,并不会堵塞载体的多孔网络结构,且与钙钛矿镧锶铁(LSF)具有更好的亲和性.X射线光电子能谱和程序升温脱附结果表明,高度分散的Ni物种改善了LSF-SDC的电子结构,不仅提升了体系中电子对的含量,还在体系中形成大量氧空位,显著提升了荷质传递效率.当Ni-LSF-SDC作为SOEC阴极时,在800℃,1.6 V时,CO_(2)电解电流密度最高达到1.53 A·cm^(-2),比未经过Ni修饰的LSF-SDC阴极提高了约91%.同时Ni-LSF-SDC阴极表现出较高的稳定性,在800℃和1.2 V下稳定运行66 h后有微弱的性能衰减,电流衰减率为0.85 mA·cm^(-2)·h^(-1).对稳定性测试后电解池的电极涂覆层截面进行SEM和STEM表征,结果表明,电极表面有少量极小的NiO颗粒形成,且集流体涂覆层的Au元素长时间运行后可迁移到电极内部,这些是导致电解池电解效率衰减的主要因素.总之,本文通过采用一种简便的方法制备出低载量高度分散的Ni修饰铁基钙钛矿阴极材料,高度分散的Ni物种可以调控钙钛矿氧化物载体的电子结构和氧空位浓度,显著提高了SOEC电解CO_(2)性能.本文为合理设计和优化SOEC阴极CO_(2)电催化材料的结构以提升其电催化性能提供了新思路.

摘要：可再生能源驱动的二氧化碳电催化还原反应(CO_(2)RR)是实现CO_(2)高效转化和利用的有效途径。电解器的理性设计对于提高CO_(2)RR性能及其工业放大应用具有重要意义。电解器构型及其操作条件在很大程度上决定了电极附近的局部反应环境,从而调变催化性能。本文深度剖析了三种CO_(2)电解器(H型电解池、流动电解池和膜电极电解池)的研究进展和现状,结合文献报道,在电流密度、法拉第效率、能量效率和稳定性等四个关键性能参数上比较和讨论了不同电解器构型的优缺点及其对CO_(2)RR性能的影响。面向实际应用的CO_(2)RR研究应该把工业级电流密度作为提高其它三个指标的前提。尽管目前还存在一些问题和挑战,膜电极电解器被认为是最具工业应用前景的技术方案。本文最后提出了一些可能的研究策略和机遇,展望了该领域的未来发展趋势。

摘要：采用印刷线路板(PCB)作为被动式直接甲醇燃料电池的单极板,实现集流、串联和夹紧的一体化。设计、组装了被动直接甲醇燃料电池系统,并与笔记本电脑联试成功。电池放电性能测试结果表明,系统输出峰值功率达33W,单位面积峰值比功率达27mW/cm2。一次加入840mL,2mol/L的甲醇可使笔记本电脑工作72min,并对甲醇燃料的法拉第效率、能量效率、比能量进行了估算,结果表明该电池系统甲醇燃料的法拉第效率达23.3%,能量效率为7.8%,比能量为475.8Wh/kg。

摘要：自行研制的超声手术刀采用多功能的组合设计，实验对象采用杂种猪和离休人类脂块，观察超声切肝和超声去脂的速度、出血量、对正常组织脏器的影响及组织器官的修复情况等，并进行病理学检查．实验证明，多功能超声手术刀对肝切除及去脂减肥等手术均有独特的优点。