电催化氧还原
一步法制备阴极氧还原电催化剂FeNC
一步法制备阴极氧还原电催化剂FeNC杨代辉*，冯 勇，白亚峰，薛 峰（贵州梅岭电源有限公司，特种化学电源国家重点实验室，贵州遵义563003）摘要:将硫酸与对苯二胺（pPDA ）进行简单的中和反应，得到质子酸盐[pPDA ] [ 2HSO 4 ],再将[pPDA ] [ 2HSO 4 ]与FeSO 4-7H 2O 溶液混合，最后进行高温处理，一步合成得到高活性的氧还原电催化剂FeNC ,可避免模板法制备的繁杂过程。
在900 C 下、氢气体积分数为10%的氢氩混合气中碳化，前驱体FeSO 4-7H 2O 质量分数为10%的条件下制得的催化剂，半 波电位为0. 815 V （vs. RHE ），起始电位为0. 933 V （vs. RHE ）,与Pt/C 相比，半波电位相当，起始电位正13 mV 。
关键词：氧还原电催化剂；一步合成；FeNC ；模板法中图分类号:TM911.42 文献标志码：A 文章编号：1001-1579（ 2021） 02-0135-03Preparing cathode oxygen reduction electrocatalyst FeNC via one-step methodeYANG Dai-hui * ,FENG Yong,BAI Ya-feng,XUE Feng( State Key Laboratory of Advanced Chemical Power Sources , Guizhou Meiling Power Sources Co ., Ltd ., Zunyi , Guizhou 563003, China )Abstract ：The protic acid salt [ pPDA] [ 2HSO 4 ] was obtained through a simple neutralization reaction between sulfuric acid andp-phenylenediamine(pPDA) ,then [ pPDA] [2HSO 4 ] was mixed with FeSO 4 *7H 2O in an aqueous solution. It could synthesize a highly active oxygen reduction electrocatalyst with the treatment at high temperature in one step , avoiding the tedious process of thetemplate method. The catalyst which was carbonized at 900 C , hydrogen-argon mixture atmosphere with 10% hydrogen volumefraction and 10% precursor FeSO 4 *7H 2O mass fraction ,had a half-wave potential of 0. 815 V ( vs. RHE ) and an initial potential of0. 933 V ( vs. RHE). Compared with Pt/C , the half-wave potential was equivalent ,the initial potential was 13 mV higher.Key words ： oxygen reduction electrocatalyst ； one-step synthesis ； FeNC ； template method阴极缓慢的氧还原进程，阻碍了质子交换膜燃料电池 （PEMFC ）的发展，需要高效的催化剂进行催化[1]。
光催化和电催化co2还原
光催化和电催化co2还原
1光催化还原CO2
光催化还原CO2，是指利用光催化剂（如TiO2、ZnO、Cu/TiO2等）吸收太阳能，将CO2分子与水分子分解，将其还原为有机分子和氧气的过程。
这种技术可以转化CO2为有用的化学品和燃料，并同时减少CO2的排放，是一种很有前途的绿色能源技术。
研究人员已经在实验室中成功地利用光催化技术还原CO2，但要在实际应用中取得成功，还需克服一些挑战，如催化剂的稳定性、光谱效率低下等。
因此，未来的研究方向应该是探索新的催化材料，并提高其光谱效率和稳定性，以实现光催化还原CO2的大规模产业应用。
2电催化还原CO2
电催化还原CO2是指利用电催化剂将CO2还原为有机化合物的过程。
该技术主要基于电化学原理，通过加入外部电源将电子输送到催化剂上，在电子的作用下将CO2还原为有机化合物。
与光催化技术相比，电催化技术的优势是操作更加简单，而且更容易实现高效的转化效率。
电催化还原CO2技术目前已经得到了广泛的研究，相关研究人员也已经成功地将其应用于实际工业生产中。
其中最重要的电催化剂是金属催化剂（如银、铜、金等）和非金属催化剂（如金刚烷酸、多酚等），它们能够在电子的作用下促进CO2还原反应。
虽然CO2的光催化还原和电催化还原技术都有其优势和限制，但两种技术都在解决环境问题和能源安全问题方面，发挥着重要的作用。
未来我们需要继续深入研究这两种技术，发掘新的催化剂，扩大这两种技术的实际应用规模，以更好地实现CO2的还原和环保减排的目标。
电催化氧化设备的工作原理及适用范围
电催化氧化设备的工作原理及适用范围电催化氧化设备是一种高效的废气处理设备，其工作原理是利用电
化学反应将有机废气中的有害物质氧化分解为无害物质。
该设备适用
于各种有机废气的处理，如印刷、涂装、化工等行业。
一、工作原理
电催化氧化设备的核心是电极，其分为阳极和阴极。
当有机废气通过
阳极时，阳极表面会产生氧化还原反应，将有机废气中的有害物质氧
化为无害物质。
同时，阴极表面会产生还原反应，将氧气还原为水。
这样，有机废气中的有害物质就被彻底分解了。
二、适用范围
电催化氧化设备适用于各种有机废气的处理，如印刷、涂装、化工等
行业。
其中，印刷行业的废气主要来自印刷机的油墨挥发和纸张热熔，涂装行业的废气主要来自喷漆和烘干过程，化工行业的废气主要来自
各种化学反应。
这些废气中含有大量的有机物质和有害气体，如果不
经过处理直接排放到大气中，会对环境和人体健康造成严重的危害。
三、优点
电催化氧化设备具有以下优点：
1.高效：该设备能够将有机废气中的有害物质彻底分解，处理效率高达99%以上。
2.节能：该设备采用电化学反应进行废气处理，不需要加热和添加化学药剂，能够节约大量的能源和化学药剂成本。
3.环保：该设备能够将有机废气中的有害物质彻底分解，不会产生二次污染，符合环保要求。
4.操作简便：该设备操作简单，不需要专业技术人员进行操作和维护，降低了运行成本。
综上所述，电催化氧化设备是一种高效、节能、环保、操作简便的废气处理设备，适用于各种有机废气的处理。
在未来的环保产业中，电催化氧化设备将会得到更广泛的应用。
电化学chapter6_电催化
氧气还原的电催化目的
① 避免经历二电子途径，产生过氧化氢，否则 对能量转换不利；
② 必须在尽可能高的电势1.229V下进行工作。
电催化剂的选择是实现二电子途径或四电子 途径的关键。
在大多数电极表面上，氧还原反应按2电子反应途径 进行，或2电子与4电子两种途径同时进行。
氧电极反应：氧气的阴极还原反应及析出反应。 氧气的阴极还原：空气电池及燃料电池中。 氧气的析出反应：电解水及阳极氧化法制备高
价化合物。
一、氧气的电催化还原
1．氧气还原的机理： 1）直接四电子反应途径
O2+4H++4e2H2O， =1.229v（酸性） 或
O2＋2H2O＋4e 4OH－，＝0.401V（碱性介质）
氢气的氧化：燃料电池的阳极反应。
一、氢气析出的电催化
总的电极反应：
2H3O++2eH2+2H2O（酸性介质中） 或2H2O+2eH2+20H-（中性或碱性介质中)
在许多金属上，氢析出超电势符合Tefel公式： c= a+ blgI
a= (-2.3RT/ nF )lgiº或 (-2.3RT/ nF )lgiº b= 2.3RT/ nF或 2.3RT/ nF
Electrode
干区 (no reaction)
H2
Gas ee-
电解质
反应区
反应区
淹没区 (reaction is slow because diffusion limitation)
质子交换膜燃料电池MEA的构成
阳极 阳极 Nafion 扩散层 催化层 膜
阴极 催化层
燃料电池的氧还原反应机理分析
燃料电池的氧还原反应机理分析燃料电池是一种利用化学能直接转化为电能的新型能源电池，其工作原理是通过氧还原反应将燃料中的氢气与氧气相互转化并产生电能。
氧还原反应是燃料电池中的关键过程，其机理分析对于燃料电池的性能优化和研究发展具有重要意义。
本文将从燃料电池的氧还原反应机理、反应动力学与催化剂等方面进行分析。
一、氧还原反应机理的基本原理燃料电池的氧还原反应是指氧气分子在电极电位控制下与氢气或燃料中的其他还原性物质发生反应，生成水。
在燃料电池中，氧还原反应分为两个半反应：氧物质电解还原为氢离子和氢物质氧化为水。
氧还原反应的基本原理是通过电子从还原物向氧气传递，实现氧气还原和燃料氧化。
在氧还原反应中，电子由电极表面传递到还原物质的离子或分子中，氧气在电极表面接受电子并与离子或分子结合生成水。
整个反应过程需要催化剂的参与，以降低反应过程中的能垒，提高反应速率。
催化剂扮演着氧还原反应的关键角色。
二、氧还原反应机理的研究方法目前研究氧还原反应机理的方法主要包括实验测定和理论计算两种。
实验测定是通过利用电化学技术，如循环伏安法、旋转圆盘电极法等，来研究和测定氧还原反应的电流-电位行为。
通过测定电流与电位的关系，可以了解反应动力学过程，推断反应机理。
理论计算方法是利用量子化学和分子动力学模拟等手段，通过计算和模拟氧还原反应的反应活化能、反应中间体和过渡态等信息，来预测和理解反应基本机理。
理论计算方法具有一定的局限性，需要基于大量实验数据和已知的反应机理进行验证和修正。
三、氧还原反应机理的主要研究成果在燃料电池领域，已经有许多关于氧还原反应机理的研究成果。
以贵金属催化剂为例，如铂、铱、钯等，它们在燃料电池中作为催化剂广泛应用。
对于铂催化剂而言，很多研究表明氧还原反应存在着先吸附、再电子转移、最后还原的机理过程。
铂催化剂表面上的氧还原反应主要通过吸附在铂表面的氧气分子与铂表面上的水分子生成氧化的OH吸附物种，然后通过电子传递反应生成水。
单原子催化剂在电催化氧还原直接合成过氧化氢中的研究进展
化工进展， 2023， 42（6）尽管FeNC 单原子催化剂在ORR 四电子过程中展现了高的反应活性，然而针对Fe 单原子催化剂的二电子氧还原产过氧化氢过程的设计和研究仍然缺乏。
在保持FeNC 单原子催化剂氧还原催化活性的同时，调控Fe 的电子结构，优化对氧还原反应中间体的吸附/解离能力，将会为Fe 单原子催化剂在ORR 二电子产过氧化氢的研究注入新的活力[31]。
2.2 Co 基单原子催化剂单原子催化剂是ORR 产过氧化氢的理想催化剂，因为O 2分子在单原子催化剂中倾向于头碰头的端吸附，而不是肩碰肩的侧式吸附。
前者通过调控ORR 反应中间体在活性位点的吸附强度，可以最大程度保留反应中间体OOH ，得到二电子反应H 2O 2产物。
后者吸附方式更容易发生反应中间体O —O 键的断裂，产生四电子产物H 2O [32-33]。
因此，合理地设计单原子的配位结构和环境，优化反应中间体在单原子活性位点的吸附能，能实现高的反应活性和反应选择性。
和Fe 基单原子相比，Co 基单原子展现了较弱的芬顿效应，而芬顿效应通常会导致金属脱离活性位点和催化剂失活[34]。
Jung 等[35]系统计算了M-N 4配位结构的单原子催化剂的ORR 二电子催化活性，研究发现，CoN 4倾向于ORR 二电子过程。
尽管如此，要在CoN 4单原子催化剂上发生ORR 二电子过程，仍然需要克服高的过电势。
因此，需要对CoN 4活性位点进行合适的修饰，以得到满意的ORR 二电子过程[36]。
其首先通过DFT 计算表明，在CoN 4周围引入氧官能团能够调控CoN 4活性位点对反应中间体的结合能，达到最佳火山图峰尖的位置，如图3所示。
他们通过控制反应温度，优化含氧基团的数量，进而优化CoN 4的电子结构，其在ORR 反应中二电子选择性达到80%以上，显著高于无含氧官能团修饰的CoNC 单原子催化剂。
考虑到多数MN 4配位的单原子催化剂通常具有四电子ORR 催化活性，Zhang 等[37]在氧化石墨烯上负载Co 合成了Co-O-C@GO 单原子催化剂，展示了0.91V 的起始电位和81.4%的高选择性。
电催化氧化降解有机污染物技术研究
电催化氧化降解有机污染物技术研究随着工业化进程和城市化的不断加剧，城市化程度和规模日益扩大，工业污染和城市垃圾对环境造成了严重的污染，严重地危害了生态环境和人类健康。
如何有效地降解与处理有机污染物成为了重要的课题。
电催化氧化技术是一种新兴的处理有机物污染的方法，具有高效降解率、无二次污染的优点，在处理有机污染物具有广阔的应用前景。
一、电催化氧化技术原理电催化氧化技术指的是将电能转化为化学能，通过介电质或催化剂加速有机物氧化处理。
其核心原理为电氧化催化反应：电子在电流作用下流经阴阳极表面的催化剂，使之发生氧化还原反应，产生氧化剂，进而加速有机物氧化分解。
二、电催化氧化技术的应用1. 污水处理电催化氧化技术在污水处理中应用最为广泛。
它可以有效地处理纺织、染料、印染、渗透液、化工废水、医药废水等有机物废水，具有高效、节能、环保的特点。
2. 大气治理电催化氧化技术在大气治理中，主要是通过氧化分解车尾气中的甲烷和一氧化碳等有害气体，减少大气污染。
同时，由于电子在极化过程中的功能，与光催化技术联合使用可提高大气治理效果。
3. 化学工艺电催化氧化技术在化工工艺中应用，可以实现低催化剂使用量的有机物合成和贵金属催化反应的高频次电极化，可应用于新能源汽车电池材料的生产工艺改革。
三、电催化氧化技术研究现状及发展方向1. 催化剂研究电催化氧化技术中，催化剂的性能直接影响到反应的效率和稳定性，因此催化剂的研究一直是学术界和产业界关注的焦点。
目前常见的催化剂有金属氧化物、过渡金属、嵌入式金属等，学者们通过各种方法对催化剂的性质进行了深入的研究。
2. 反应机理研究电催化氧化技术反应机理的明确是提高技术性能以及将技术投入实际应用的关键之一，反应动力学和反应机理的研究已成为学术界关注的方向。
目前，电催化氧化技术反应机理的研究方向主要是电化学与物理化学理论模拟、基于质谱谱学和红外等技术的反应机理研究。
3. 智能化运控平台建设随着科技不断发展，智能化运控平台的建设成为产业发展的重要方向。
电催化氧化技术
间接氧化：通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产 物或发生阳极反应之外的中间反应生成的中间物质 （· OH、· O 2、 · HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须
满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位； （2）氧化还原剂的产生速度足够大； （3）氧化还原剂与污染物的反应速度比其他竞争反应的
3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。
基本反应式为：M2+ + 2e- → M。（金属离子还原）
许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
种含氯有机物转变成低毒性物质，提高产物的可生物降解 性。 如： R-Cl + H+ + 2e- → R-H + Cl- 。
间接还原：利用电化学过程中生成的一些还原性物质如 Ti3+（失去3个电子的钛离子），V2+（钒）和Cr2+（铬）将污染物还原 去除，如二氧化硫的间接电化学还原可转化成单质硫：
（2） 基础电极
基础电极：也叫电极基质，是指具有一定强度、能够承载催 化层的一类物质。一般采用贵金属电极和碳电极。 基础电极无电催化活性，只承担着作为电子载体的功能。 ——高的机械强度； ——良好的导电性； ——与电催化组成材料有一定的亲和性。
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电催化氧还原
电催化氧还原是指在电极表面进行的催化反应，将氧气还原为水。
这种反应是生命体
系中产生能量的一种途径，同时也是许多工业过程中不可或缺的一部分。
氧气还原的过程中产生了化学能，在人类的能源转换中具有广泛的应用前景。
如果可
以开发出高效的电催化反应体系，将氧气还原为水可以成为非常有前途的一种电化学反应。
这种反应产生的能量可以直接用于驱动细胞的生理活动，同时为人类提供清洁且便宜的能源。
因此，开发高效的电催化氧还原体系可以为人类的健康和绿色能源的开发做出巨大贡献。
在电催化氧还原体系中，催化剂的选择是关键因素之一。
钴、铁和铂等材料都可以用
于电催化氧还原反应，但铂是最常用的催化剂之一。
铂的使用可以在低电压下实现高效的
电催化反应，而且还可以抵御腐蚀，这使得铂是制备质量好的电催化体系的首选催化剂。
虽然铂是优秀的催化剂，但是铂的价格较高，并且容易被污染物物质中毒而失去催化
活性，这一点是其无法适应大规模应用的问题。
因此，探索新型高效、廉价、耐久的电催
化催化剂是迫切需要解决的问题。
除了催化剂的选择之外，电极材料的选择也是很重要的。
高效的电催化反应需要具有
优良的导电性，稳定性和低电子阻抗的电极材料。
常用的电极材料有碳纤维、金属材料、
氧化物、生物质材料等。
特别是碳纤维材料具有优良的电化学性能，并且有较好的机械性
能和化学稳定性，可以作为高效的电催化反应的材料。
总之，电催化氧还原具有巨大的应用前景。
选择合适的催化剂和电极材料，提高反应
的效率和稳定性是未来研究的方向。
同时，在光催化、生物催化等领域也有着广泛的研究
意义。
我们相信，随着相关研究的深入，未来一定会有更加优秀的电催化氧还原体系问世，为人类的生产和生活带来更大的贡献。