摘要：现代社会对能源的需求日益增长,资源和环境问题凸显,因此,近几十年可再生能源(太阳能、风能、潮汐能等)的利用受到广泛关注.电催化作为一种常温常压下即可实现的能量和物质转换技术,与传统工业技术相比具有更高的能量利用效率.更重要的是,得益于可控的电子转移步骤和相应的中间介质,电催化过程还表现出比传统路线更高的选择性、不受能源间歇性影响等优点,因此特别适合可再生能源领域乃至工业生产的应用.在电催化过程中,催化剂和吸附物之间的相互作用(如结合、静电吸引和斥力)起着至关重要的作用,而这种相互作用受分子电性、荷电量、吸附物构型甚至吸附物的取向等因素影响.从更深层次上讲,电催化剂的局域电子结构影响了其自由电子的分布、转移和流动,并极大地影响着催化剂和吸附物之间的相互作用,从而影响催化性能.而对具有大比表面积、高表面原子占比的二维电催化剂材料而言,其基平面原子通常为热力学稳定状态,催化活性不高.因此,亟待通过局域电子结构的调控进一步提升其电催化性能.目前,针对二维材料在能源转换与存储方面的应用已经有了许多优秀的综述,但多关注于材料体系或者催化性能,对催化剂局域电子结构变化及其电催化性能的构效关系这一关键问题探讨尚不深入.因此,本文聚焦于二维电催化剂设计构筑过程中局域电子结构的调控策略,以课题组开展的几个电催化前沿方向为例,讨论了几种调控策略对催化剂局域电子结构的影响机制.本课题组基于非贵金属基二维材料电催化剂的设计合成及性能调控,针对析氢反应、析氧反应、氮还原反应、氮氧化反应以及二氧化碳还原反应开展了系列研究.研究工作的核心思想之一是选择性地“激活”二维电催化剂基平面原子,以实现在其高表面暴露原子的基础上增加催化活性位点数量.本述评在已有工作的基础上对二维电催化剂的局域电子调控及其电催化性能构效关系进行了全面总结.在单个原子尺度上,通过杂原子掺杂、单原子负载和空位等手段有效改变催化活性位点周边键合环境,进而实现对二维材料催化活性位点附近局域电子结构的调控.通过在二维材料表面构筑异质结构改变界面电子结构,不仅可以实现第二相或二维基体自身的催化活性增强,还可以获得二者的催化协同效应.通过对二维材料晶格进行变形,引入外加应力,也可以显著改变材料的电子结构,进而影响表面原子的催化活性.基于上述策略,本文深入阐述了局域电子结构变化对二维材料电催化活性的影响机制.综上,本文为二维电催化剂的综合优化设计提供了新思路.

摘要：由于近年来在电化学能源转化、存储及高附加值化学品电合成上的兴趣,设计与制备电催化剂受到越来越多的关注。活性是电催化剂关键参数之一,但观测到的活性会受到催化剂负载量的影响。本工作中,我们采用Co_(3)O_(4)/石墨纸(Co_(3)O_(4)/GPE)电极作为电极模型,通过循环伏安法和计时电位法展示Co_(3)O_(4)的负载量是如何影响乙二醇在碱性溶液(KOH)中氧化的。基于对氧化还原峰和双电层电容的分析可以得出增加催化剂负载量可以增加电化学活性位点数,也可以在低的氧化电位下促进乙二醇氧化,但在高的电位下并没有明显的促进作用。这个结果提供了对有机小分子电催化剂负载量优化的一些思考。

摘要：在风电柔性直流电网中,交流故障的快速定位和穿越是需要解决的主要问题之一。该文首先分析直流电网下不同位置及不同性质交流故障的暂态特性,提出一种新型的暂态能量转移指标——潮流转移熵。基于潮流转移熵对不同交流故障的敏感性,提出异地交流故障检测与定位方法,设计无需远距离通讯的源侧暂态能量耗散策略。进而提出故障性质判定方法,并针对永久性交流故障设计风电场和耗能电阻的协调配合控制策略。最后通过PSCAD仿真验证提出的故障诊断和穿越方法的有效性,在该方法下,系统能够在任何受端发生瞬时性或永久性交流故障均实现不间断运行。

摘要：随着全球能源需求增长和环境污染加剧,发展可持续能源减少对化石燃料(如石油、天然气和煤炭等)的消耗成为实现人类社会可持续发展的关键.氢能因其能量密度高、燃烧无污染、应用形式多样被认为是最理想的替代能源.电解水制氢包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER),具有绿色环保、生产灵活和纯度高等特点,是理想的绿色生产技术之一.然而,阳极电解水产氧反应动力学缓慢,导致阴极的产氢效率低.此外,在电解水过程中,会产生高氧化性的过氧化氢(H_(2)O_(2)),降低电解水膜的寿命,阻碍电解水技术的实际应用.因此,亟待开发新型高效、稳定且具有高附加值的电解水催化剂.目前,电化学整体水分解(OWS)制氢技术存在安全风险、投资回报低、阳极OER动力学慢和电能消耗大等问题,将阳极氧化反应与混合电解水(HWE)装置中的HER相结合,借助热力学较好的电氧化反应取代缓慢的传统OER反应协同产氢,可以有效克服传统电解水的产率不足,解决污染排放和生物质回收问题.本文综述了协同电催化用于联产氢气和低能耗、高法拉第效率高价值产品的催化剂结构设计,揭示不同协同电催化系统的催化途径和意义,以实现更高效、零碳排放的目标.首先,介绍了HWE系统的发展现状,重点关注各种富氢物质的协同电解,例如酒精、生物质衍生物、葡萄糖和在阳极形成的高附加值化学品.与传统阳极OER工艺相比,有机/生物质底物小分子的OER表现出较低的热力学需求,降低产氢能耗.随后,详细介绍了基于阴极HER和阳极OER协同电解反应、协同催化HWE高效电极/电催化剂的合理设计,以实现高催化活性、高选择性和良好的电化学稳定性.重点讨论了新型电极/电催化剂设计、活性改进以及结构-催化活性关系提升的合成策略.再后,讨论了基于有机/生物质小分子协同HWE系统电催化的代表性研究进展和突破,强调了其在促进可持续低压制氢方面的重要作用,并回顾了近年来HWE的研究突破,同时,对一些可行性分析和机理探索进行比较,为制氢提供了新的研究方向.最后,提出了协同电催化制氢面临的挑战并展望未来的研究方向.综上,大多数电催化剂存在催化活性低、稳定性差等问题,要实现可持续、经济高效和清洁的产氢技术,仍有很多方面需要进一步的深入研究.本文综述了高效多功能HWE系统发展现状和催化剂结构设计,为电解水制氢和高附加值产品的节能联产提供一定的参考.