摘要：氢氧电催化反应是氢能源体系的重要反应,其热力学和动力学直接影响水解制氢和燃料电池的能量效率和功率密度.过去十多年来,基于量子化学的理论计算在电催化剂设计及电催化反应机理研究中得到广泛应用.结合文献结果,本文介绍了近年来在Pt基催化剂表面氢、氧电催化反应理论计算研究中获得的结果和认识.在研究中重点对反应中间体吸附结构、覆盖度及其对反应路径和动力学的影响机制进行了分析.结果指出,反应中间体的吸附特性不仅会影响反应控制步骤的活化能,同时通过改变表面反应活性位的结构和数量影响表面反应速率.对火山顶点附近的Pt基催化剂,简单计算的吸附能不足以准确预测催化剂活性,必须考虑吸附质的覆盖度和吸附结构的影响.在此认识基础上,根据表面反应自由能及速率与关键中间体吸附能、覆盖度及电极电势的关系建立微观动力学模型,利用密度泛函理论计算获得关键吸附中间体在催化剂表面的电化学吸附等温线(吸附结构及覆盖度与电极电势的关系),确定反应活性位、反应路径和动力学,构建催化活性与吸附能的关系曲线,预测催化剂的表面结构及尺寸效应,并对一些重要实验结果进行解释.

摘要：随着全球工业化快速发展,化石燃料大量使用导致碳排放量急剧增加,造成严重环境问题。因此,寻找有效方法降低CO_(2)浓度以遏制全球变暖成为紧迫任务。目前,减少CO_(2)主要策略包括限制传统化石能源使用和将多余CO_(2)转化为高附加值化学品。由于经济发展仍极度依赖化石能源,简单地限制其使用存在显著困难。因此,高效转化CO_(2)成为高附加值化学品显得尤为关键。在众多CO_(2)转化技术(生物还原、热化学加氢还原、光电化学及电化学还原CO_(2))中,电化学还原CO_(2)因其高效性和良好的工业应用前景而显得尤为突出。基于此,对CO_(2)转化技术、电催化还原CO_(2)原理、主要产物、反应途径、评价参数及目前发展迅速的金属基及非金属碳基材料电催化剂的研究现状进行了综述。金属基和非金属碳基材料的结合能够提高催化剂的催化活性,具有良好的研究前景。从新型高效低成本催化剂开发及其形貌和表面活性位点的微观调控,利用原位表征技术和密度泛函理论计算加深对反应机理的揭示,加快组装器件设计开发、促进CO_(2)RR工业应用等方面提出CO_(2)RR未来发展方向。

摘要：设计新型实用的电催化还原O_(2)制H_(2)O_(2)实验代替传统的电催化分解水实验,符合绿色化学理念和本科实验教学的发展需求。实验制备了具有2eORR活性的新型硼碳氮(BCN)催化材料,同时设计了电极制备、电催化氧还原制H_(2)O_(2)、还原产物定性及定量分析等实验内容。让学生了解无机材料的制备和表征技术、掌握H型电解池装置和电化学工作站的使用,学会利用紫外-可见分光光度法计算H_(2)O_(2)浓度等相关知识。由最新科研成果转化而成的综合性教学实验,有助于激发学生对实验和科研的兴趣,有利于培养学生的团队合作意识与探究精神,为提升本科生化学实验教学质量提供可行方案。

摘要：地下水和地表水的硝酸盐污染日益严重,威胁着人类健康和生态系统,已成为亟待解决的环境问题之一.电催化还原作为一种绿色环保、无二次污染的技术,能够将硝酸盐转化为无毒无害的氮气,具有良好的应用前景.在电催化还原硝酸盐体系当中,电极材料是电化学反应的关键,在过去几十年里,许多学者在设计和制备高效的电极方面做了大量研究.本文介绍了电催化还原处理硝酸盐技术的基本原理和降解路径,重点讨论了国内外电催化还原处理硝酸盐所用的不同电极材料,总结了不同电极材料的应用现状,并对电催化还原硝酸盐技术未来的发展方向提出了展望.

摘要：石墨炔缺乏高活性位点使其在电催化方面表现出较低活性,难以发挥其化学结构的优势。因此,为了提高石墨炔材料的电催化活性,设计合成了一种基于铁卟啉的石墨炔纳米片。通过第一性原理计算、X射线衍射、透射电子显微镜及电化学测试等手段对铁卟啉基石墨炔材料的物理与化学性质进行预测和表征。结果表明,铁中心位点具有较高的电催化活性,结合卟啉sp^(2)杂化态与石墨炔sp杂化态构建的全共轭骨架结构,铁卟啉基石墨炔纳米片表现出良好的ORR电催化性能。

摘要：氢是一种清洁、可再生的能源载体,有望在未来促进低碳能源经济的发展。氢氧燃料电池可将氢能转为电能,大大提高了氢能源的转化效率。在碱性条件下运行的阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs),由于可以利用低成本的非铂电催化剂来驱动阴极氧还原反应(ORR)引起了广泛关注。然而,AEMFCs的阳极氢氧化反应(HOR)的反应动力学与酸性条件下相比低2~3个数量级,需要高活性、高稳定性的HOR催化剂来驱动,因此大量的碱性HOR催化剂被设计开发。综述了近年来碱性HOR电催化剂的研究进展,介绍了碱性HOR的反应机理、性能评价标准以及近期报道的新型HOR催化剂,重点关注了这些催化剂的设计思路、催化性能、反应机理等,并对未来碱性HOR催化剂设计的挑战和机遇进行了展望。

摘要：金属纳米团簇(MNCs)是由几个到数百个金属原子组成,其尺寸一般小于2nm。金属纳米团簇在许多催化反应中表现出高的催化活性和选择性,这与金属纳米团簇具有高的比表面积、较多暴露的活性原子,以及与金属纳米粒子(MNPs)不同的电子结构有关。金属纳米团簇确定的组成和结构使其成为一种新型模型催化剂,对纳米团簇的催化性能研究有利于人们深入理解催化剂结构-性质之间的关系,更利于催化剂的理性设计与发展。结合近几年国内外和本课题组在金属纳米团簇电催化领域的研究进展和现状,本文对该领域的代表性工作进行了简要综述,并对其未来在电催化领域的应用前景和需要解决的关键问题进行了展望。

摘要：针对当前饮用水药剂消毒的弊病,制备了新型的不锈钢电催化阳极,设计了电催化反应装置。电镜和XRD分析表明制备的新型电催化阳极具有高的比表面积,与基体结合紧密,能有效提高电催化活性;采用这种新型阳极对饮用水作电催化消毒处理,比较了不同运行参数的电催化消毒效果,确定出最优的工艺参数为:电压3.0V、处理时间60min、搅拌速度468r/min、电极间距7mm;此电催化消毒工艺具有很好的持续消毒能力。

摘要：氢气具有环境友好、含量丰富、高能量密度等特点,是一种可以替代化石能源的绿色环保可再生能源.电解水是制备氢气最有效途径之一.但在电解水过程中,动力学过程非常缓慢,过电位较大的阳极析氧半反应严重限制了阴极析氢反应效率.因此,研究高效、稳定和低成本的催化剂来降低析氧反应的过电位,从而提高析氢反应效率受到了广泛关注.基于非贵金属催化剂本身特性及其在高浓度OH^-条件下具有较高OER催化活性等原因,本文首先简要介绍碱性条件下析氧反应机理及其性能的评价方法,然后重点讨论非贵金属电催化析氧催化剂的最新研究进展.最后对如何深入研究催化机理、设计高效、双功能及新型非贵金属电催化析氧催化剂进行了展望.

摘要：近年来,随着温室效应即全球气候变暖引发的环境问题越来越严峻,CO_(2)转化与再生引起了科学界的广泛关注,其中备受关注的是电催化CO_(2)还原。二维材料电催化剂可以将CO_(2)还原为高附加值的多碳化合物,但催化剂的设计、合成以及理论研究有待更多的探索。本文简要介绍了二维材料的分类和制备方法,并重点综述了石墨烯、MXenes、金属氧化物、二维MOFs和过渡金属硫族化合物等二维材料的构建以及其在CO_(2)还原电催化技术应用方面的最新进展。讨论了电催化CO_(2)还原的基本原理以及反应途径,指出了二维材料电催化剂面临的机遇和挑战,旨在对二维材料电催化剂的合成以及应用提供一些新的思路。