發(fā)布時間：2018-03-20 05:06

  本文選題：氧還原反應　切入點：電催化劑　出處：《催化學報》2017年06期 　論文類型：期刊論文

【摘要】：燃料電池可以在接近室溫條件下將氫或烴類中蘊含的巨大化學能通過電化學途徑直接轉化為清潔、穩(wěn)定、可持續(xù)的電能,因而被視為極有前景的、能夠滿足日益增長的世界能源需求的終極解決方案之一.在一個典型的氫燃料電池中,氫在正極氧化而氧在負極還原,從動力學角度說,氧還原反應(ORR)比氫氧化反應進行的慢得多.無論是在酸性還是堿性條件下,氧的還原都可以一個四電子過程或是兩個雙電子過程進行,當然在酸性和堿性環(huán)境中反應的機理不同.鉑一直是最有效的ORR催化劑,但受到價格昂貴、穩(wěn)定性差和易中毒等因素的制約,目前非鉑催化劑成為越來越引人矚目的發(fā)展方向.本綜述試圖從分子催化劑、金屬納米材料催化劑、金屬氧化物催化劑和新興的二維材料催化劑等方面,選取近十年來最能代表ORR電化學催化劑方面成就的例子分析其優(yōu)缺點,并為今后該領域的研究提供一些有益的思路.典型的分子催化劑是卟啉類化合物,當這種四齒的N4配體與過渡金屬特別是鐵、鈷絡合時,往往顯示出良好的ORR催化性能,多數(shù)情況下其中的過渡金屬中心、配體和碳支撐體系共同組成催化劑的活性中心.在另一些報道中,鄰菲羅啉或是連吡啶型N_2化合物也可以作為配體使用.第四和第五副族的很多金屬形成的不同價態(tài)的氧化物都具有氧還原活性,比如MnO_x,CoO_x,TiO_x,ZrO_x,IrO_x等.金屬氧化物表現(xiàn)出易于修飾,不容易團聚和抗腐蝕等諸多優(yōu)點,而其良好的ORR性能與表面的缺陷密切相關,因此鈣鈦礦型氧化物ABO_x也引起人們的廣泛關注,人們可以通過調節(jié)氧化物的晶型、尺寸和組成來獲得更好的催化性能.近年來隨著液相合成技術的發(fā)展,人們可以制備出理想形狀和尺寸的單分散納米粒子,然后通過旋涂、自組裝等手段將其修飾到合適的電極上以獲得增強性能的ORR催化劑.通過形狀與尺寸調控,或組合成其它復雜的納米結構,都有可能提高催化活性或是穩(wěn)定性,因此有關納米催化劑的研究日趨增多.在此基礎上,考慮到石墨烯的可修飾性和良好的電化學性能,納米材料復合石墨烯所形成的二維或三維結構也可提供很好的氧還原催化性能,而MoS_2代替石墨烯作為支撐物所構成的二維催化劑也是值得注意的研究方向.綜上所述,盡管現(xiàn)有的非鉑催化劑仍難以完全滿足商業(yè)化的要求,設計理念和合成方法的快速發(fā)展有望在不遠的將來解決這一難題.而設計合成可控尺寸、形狀、組成和表面形貌的納米催化劑在很大程度上將加速這一進程.
[Abstract]:Fuel cells can convert the enormous chemical energy contained in hydrogen or hydrocarbons into clean, stable and sustainable electrical energy directly through electrochemical pathways at close to room temperature, and are therefore considered highly promising. One of the ultimate solutions to meet the growing world's energy needs. In a typical hydrogen fuel cell, hydrogen is oxidized at a positive electrode and oxygen is reduced at a negative electrode. The oxygen reduction reaction ORR is much slower than the hydrogen oxidation reaction. Whether in acidic or alkaline conditions, oxygen reduction can take place in one four-electron process or two two-electron processes. Of course, the reaction mechanism is different in acidic and alkaline environment. Platinum has always been the most effective ORR catalyst, but restricted by expensive, poor stability and easy to poisoning, etc. At present, non-platinum catalysts are becoming more and more attractive. In this review, molecular catalysts, metal nanomaterials catalysts, metal oxide catalysts and new two-dimensional materials catalysts are reviewed. The advantages and disadvantages of ORR electrochemical catalysts were analyzed by selecting the most representative examples in recent ten years, and some useful ideas were provided for the future research in this field. The typical molecular catalysts are porphyrin compounds. When the four-toothed N4 ligand complexes with transition metals, especially iron and cobalt, they tend to exhibit good ORR catalytic properties, and in most cases, the transition metal centers, Ligands and carbon support systems together form the active centers of the catalysts. O-phenanthroline or even pyridine-type N _ S _ 2 compounds can also be used as ligands. Oxides in different valence states formed by many metals of the 4th and 5th subgroups have oxygen reductive activities, such as MNO _ XS _ xCoO _ xT _ x _ T _ x _ T _ x _ O _ (x) _ _ _. It is not easy to agglomeration and corrosion resistance and many other advantages, and its good ORR performance and surface defects are closely related, so perovskite oxide ABO_x also attracted widespread attention, people can adjust the crystal form of oxide, In recent years, with the development of liquid-phase synthesis technology, monodisperse nanoparticles of ideal shape and size can be prepared and then spin-coated. The self-assembly method modifies it to the appropriate electrode to obtain the enhanced performance of the ORR catalyst. Through shape and size regulation, or the combination of other complex nanostructures, it is possible to improve the catalytic activity or stability. Therefore, the research on nano-catalysts is increasing. On this basis, considering the modifiability and good electrochemical performance of graphene, The two-dimensional or three-dimensional structure formed by graphene nanocomposites can also provide good catalytic performance for oxygen reduction, and the two-dimensional catalyst composed of MoS_2 instead of graphene as the support is also worthy of attention. Although the existing non-platinum catalysts are still difficult to fully meet the commercial requirements, the rapid development of design concepts and synthesis methods is expected to solve this problem in the near future. Nano-catalysts with composition and surface morphology will accelerate the process to a large extent.
【作者單位】： 鹽城衛(wèi)生職業(yè)技術學院;莫納什大學工程學院化工系;墨爾本納米制造中心;
【基金】：supported by the Australian Research Councile Discovery Projects(DP140100052,DP150103750) Advanced Study and Training Program of Jiangsu Vocational Education(2016TDFX013) High Level Talent Fund of Yancheng Vocational Institute of Health Sciences and Scientific Innovation Team Project of Yancheng Vocational Institute of Health Sciences~~
【分類號】：O643.36;TM911.4

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本文編號：1637621