氧还原催化剂
非贵金属氧还原电极催化剂研究进展
第４１卷第２１期
２０１３年１１月 广州化工
Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．２１
Ｎｏｖｅｍｂｅｒ．２０１３
非贵金属氧还原电极催化剂研究进展
陈孟楠，刘姝
（重庆工业职业技术学院，重庆４０１１２０）
摘 要：质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）中普遍使用Ｐｔ作为阴极电催化剂，但由于Ｐｔ价格昂贵、储量稀少，ＰＥＭＦＣ中使用
大量的Ｐｔ，必然导致ＰＥＭＦＣ制造成本的上升。因此，寻找一种能够部分或者完全达到Ｐｔ催化效果的非贵金属催化剂，成为一种
可行的方法。本文对近年来非贵金属氧还原电极催化剂的研究进行了总结，特别是不同催化剂的制备方法、反应机理及活性中心
进行了梳理，并对非贵金属氧还原电极催化剂的发展进行了展望。
关键词：非贵金属；氧还原电极；燃料电池
中图分类号：０６９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—９６７７（２０１３）２１—００２３—０４
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｎｏｎ——Ｐｒｅｃｉｏｕｓ Ｍｅｔａｌ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｆｏｒ Ｏｘｙｇｅｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ
ＣＨＥＮ Ｍｅｎｇ—ｒｔａｒｔ，ＬＩＵ Ｓｈｕ
（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１ １２０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｌａｔｉｎｕｍ ｗａｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ｃａｔａｌｙｓｔ ｆｏｒ ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ（ＯＲＲ）ｆｏｒ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ
ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ（ＰＥＭＦＣｓ）．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｓｃａｒｃｉｔｙ ｏｆ Ｐｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＥＭＦＣｓ．Ｔｈｅｒｅ ｆｏｒ，
ｐａｒｔｉａｌ ｏｒ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｔ ｆｏｒ ＯＲＲ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｆｅｗ ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅ ｎｏｎ—ｐｒｅｃｉｏｕｓ
石墨烯材料在催化反应中的应用研究
石墨烯材料在催化反应中的应用研究
引言
催化反应是化学反应中一种重要的方法，能够加速反应速率并提高产率。近年来，石墨烯材料作为一种新型催化剂材料，其独特的结构和优异的性能引起了人们的广泛关注。本文将就石墨烯材料在催化反应中的应用研究进行探讨。
一、石墨烯材料的特性
石墨烯是由碳原子构成的单层二维晶体结构，具有高度结构化和特殊的电子结构。首先，石墨烯具有超大的比表面积，每克表面积可达到2630平方米，有利于催化反应中的反应物吸附和扩散。其次，石墨烯具有优异的导电性和导热性，能够促进电子传输和热量传导，从而提高催化反应的效率。此外，石墨烯还具有良好的机械性能和化学稳定性，使其能够在复杂的催化条件下保持稳定。
二、石墨烯材料在催化反应中的应用
1. 氧还原反应催化剂
氧还原反应是许多重要电化学设备和能源转换系统中的关键过程。传统的氧还原反应催化剂主要基于贵金属，如铂、金等。然而，贵金属资源有限，价格昂贵，限制了其应用范围。石墨烯作为一种新型催化剂材料，具有良好的催化活性和稳定性，能够作为代替贵金属催化剂的有力候选者。研究表明，石墨烯材料可以用于制备氧还原反应催化剂，并在燃料电池等领域中展现出良好的应用前景。
2. 氢气催化剂
氢气催化剂在化工领域有着广泛的应用，可以用于氢气的制备、氢化反应和催化加氢反应等。石墨烯材料作为一种具有优异电催化活性的材料，能够作为新型氢气催化剂。研究表明，通过调控石墨烯的结构和表面改性，可以进一步提高其催化活性和选择性，实现高效的氢气催化转化。
3. 有机合成催化剂
石墨烯材料在有机合成催化剂中也有着广泛的应用前景。其高度结构化的特性和大的比表面积能够提供充足的反应活性位点，有利于反应物吸附和催化反应发生。此外，石墨烯材料还具有调控合成产物立体结构和手性选择性的能力，对于合成复杂有机分子具有重要意义。
4. 废水处理催化剂
废水处理是环境保护领域中的重要问题，对于废水中的有害物质进行高效催化降解是一种有效的处理方法。石墨烯作为催化剂材料，具有优异的催化活性和电化学性能，能够促进废水中有害物质的氧化还原反应，并有效地降解有机污染物。研究表明，石墨烯材料在废水处理催化剂领域具有巨大的潜力。
热处理碳载Fe-三聚氰胺及Fe-g-C3N4催化剂的氧还原催化性能
热处理碳载Fe-三聚氰胺及Fe-g-C3N4催化剂的氧还原催化性能
李赏*王家堂陈锐鑫赵伟钱柳潘牧
(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070)
摘要:分别以三聚氰胺和三聚氰胺的聚合物为配体,采用浸渍法合成了两种氧还原反应(ORR)催化剂Fe-N/C(1)和Fe-N/C(2).通过X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和电化学测试对催化剂的成分、形貌和电催化性能进行了表征.结果表明,以三聚氰胺聚合物为配体制备的Fe-N/C具有更高的ORR催化活性.在高温热处理过程中,催化剂表面能形成更多的石墨N活性点,是其ORR性能提高的重要原因.
关键词:三聚氰胺;非贵金属催化剂;氧还原反应;石墨N;质子交换膜燃料电池中图分类号:O643
CatalyticPerformanceofHeat-TreatedFe-Melamine/CandFe-g-C3N4/C
ElectrocatalystsforOxygenReductionReaction
LIShang*WANGJia-TangCHENRui-XinZHAOWeiQIANLiuPANMu(StateKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforMaterialsSynthesisandProcessing,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,P.R.China)
Abstract:Melamineanditspolymer(g-C3N4)wereusedasligandstoprepareFe-N/Celectrocatalystsfortheoxygenreductionreaction(ORR)byanimpregnationmethod.Thecomposition,morphologyandelectrocatalyticactivityofthecatalystswerecharacterizedbyX-raydiffraction(XRD),X-rayphotoelectronspectroscopy(XPS),transmissionelectronmicroscopy(TEM),andelectrochemicalmeasurements.TheFe-N/Ccatalystusingg-C3N4asacomplexligandshowedhigheractivityintheORRthanthatwithmelamine.TheformationofquaternaryNactivesitesonthesurfaceofthecatalystduringheattreatmenthelpstoimprovetheirperformanceintheORR.
氧化石墨烯oer反应
氧化石墨烯oer反应
氧化石墨烯(Oxidized Graphene, OG)是一种具有氧化官能团的石墨烯材料。它通常由石墨烯经过氧化处理得到，氧化处理会在石墨烯的结构中引入氧官能团，如羟基、羧基等。氧化石墨烯具有较好的可溶性和分散性，使其在各种化学反应中具有较好的应用潜力。
OER反应是指氧还原反应(Oxygen Evolution Reaction)的缩写，是一种重要的电化学反应，可用于水分解、金属空气电池等能源转化和储存技术中。在OER反应中，氧化石墨烯可以作为电催化剂，促进氧气的释放和电子的转移。
氧化石墨烯作为OER反应的催化剂具有以下优点：
1. 氧化石墨烯具有较大的比表面积和高导电性，能够提供更多的反应活性位点和更好的电子传导性能。
2. 氧化石墨烯的氧官能团可以提供氧原子，促进氧气的析出反应。
3. 氧化石墨烯具有较好的化学稳定性和耐腐蚀性，能够在较长时间内保持催化活性。
然而，氧化石墨烯作为OER催化剂也存在一些挑战：
1. 氧化石墨烯的氧官能团容易被还原，降低了其长期稳定性。
2. 氧化石墨烯的催化活性较低，需要进一步改进其催化性能。
因此，目前研究人员正在努力开发新的合成方法和改进氧化石墨烯的结构，以提高其在OER反应中的催化性能，并应用于能源转化和储存等领域。
《原子层沉积制备Pt基电化学催化剂用于氧还原与析氢反应研究》范文
《原子层沉积制备Pt基电化学催化剂用于氧还原与析氢反应研究》篇一
一、引言
随着全球能源危机日益加剧，发展高效、环保的能源转换和存储技术成为当今科研的重要课题。在众多领域中，电化学催化剂在能源转换过程中起着至关重要的作用。其中，铂（Pt）基电化学催化剂因其在氧还原反应（ORR）和析氢反应（HER）中的出色性能备受关注。然而，Pt基催化剂的高成本和稀缺性限制了其广泛应用。因此，开发高效、稳定的Pt基电化学催化剂成为当前研究的热点。本文将介绍原子层沉积（ALD）制备Pt基电化学催化剂的方法，并探讨其在氧还原与析氢反应中的应用。
二、原子层沉积（ALD）技术
原子层沉积（ALD）是一种基于表面反应的薄膜制备技术，具有出色的厚度控制能力和均匀性。在ALD过程中，前驱体与基底表面发生化学反应，形成一层薄膜。通过交替使用不同前驱体，可以实现多层薄膜的逐层生长。这种技术能够精确控制催化剂的组成和结构，从而优化其性能。
三、Pt基电化学催化剂的制备
本文采用ALD技术制备Pt基电化学催化剂。首先，选择合适的基底（如碳纸或碳布），然后通过ALD技术逐层沉积Pt和其他金属（如Ru、Co等）的前驱体，形成具有特定组成的催化剂薄膜。通过控制ALD过程的循环次数，可以调整催化剂的厚度和组成。
四、催化剂在氧还原反应（ORR）中的应用
氧还原反应（ORR）是燃料电池等能源转换装置中的关键反应。Pt基催化剂在ORR中表现出优异的性能。通过ALD制备的Pt基催化剂具有较高的电化学活性表面积和良好的耐久性。实验结果表明，该催化剂在ORR中表现出较高的催化活性和稳定性，能够有效地降低反应过程中的过电位。
五、催化剂在析氢反应（HER）中的应用
析氢反应（HER）是水分解制氢等过程的关键步骤。Pt基催化剂在HER中也具有优异的性能。ALD制备的Pt基催化剂在HER中表现出较低的过电位和较高的电流密度，具有较高的催化活性和稳定性。此外，该催化剂还具有良好的抗中毒性能，能够在含有杂质离子的环境中稳定工作。
碳载钴酞菁催化剂的一步法制备及其在碱性条件下对氧的电催化还原
第２７卷第２期
２０１０年２月 应用化学
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１０
碳载钴酞菁催化剂的一步法制备及其在碱性条件下
对氧的电催化还原
赵伟利 周德璧 孙新阳 谭龙辉
（中南大学化学化工学院长沙４１００８３）
摘要通过固相加热，一步合成了以ＶｕｌｃａｎＸＣ－７２（碳黑）为载体的碳载钴酞菁（ＣｏＰｃ／Ｃ）复合催化剂，其可 用作空气电极的氧还原催化剂。通过ｘ射线衍射、红外光谱等测试技术对催化剂进行了表征。利用极化曲线 和交流阻抗（ＥＩＳ）方法测试了其在碱性介质（６ ｍｏｌ／Ｌ ＫＯＨ）中对氧还原的催化性能。结果显示，得到的产物 为ＣｏＰｃ／Ｃ复合物，平均粒径３０ ｎｍ。以磷酸处理的碳黑为载体，在６００ ｏＣ下制备的ＣｏＰｃ／Ｃ复合催化剂表现出 最佳的催化活性。以其制备的电极在空气气氛下一０．０３ Ｖ（ｎｇ／ＨｇＯ）电位时即可产生明显氧还原电流，
一０．２ Ｖ时电流密度达９０×１０ Ａ／ｃｍ 。 关键词碱性燃料电池（ＡＦＣ），钴酞菁（ＣｏＰｃ），氧还原（ＯＲＲ） 中图分类号：０６４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－０５１８（２０１０）０２－０１８３－０８ ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０９５．２０１０．９０１４７
碱性燃料电池具有启动温度低，性能可靠等优点。但由于大量使用贵金属铂作为催化剂，难以普及
使用。过渡金属大环化和物（如金属酞菁、金属卟啉），由于具有高的共轭结构和化学稳定性，对氧还原
表现出良好的电催化活性，在催化剂领域已被广泛研究 。金属酞菁和卟啉的中心离子通常为Ｆｅ、
ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等，其中Ｆｅ和ｃｏ的配合物对氧还原具有更高的催化活性 。Ｊａｈｎｋｅ等 首次对金属大环化
合物进行高温处理，得到了显著的效果；Ｌａｌａｎｄｅ等＿８ 将该类金属大环化合物负载于碳载体上高温处理，
其催化氧还原的活性和稳定性得到增强；Ｗｅｎｇ等 研究了负载于碳黑上的ＣｏＰｃ的催化活性和稳定性
金／碳化钨-活性炭催化剂对氧还原的电催化性能和抗甲酸能力
第３０卷第１２期 ２０１３年１２月 应用化学 ＣＨＩＮＥＳＥ Ｊ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ Ｖｏ１．３０ Ｉｓｓ．１２ Ｄｅｃ．２０ｌ３
金／碳化钨．活性炭催化剂对氧还原的
电催化性能和抗甲酸能力
杨 倩 季 芸 沈莉萍 陆天虹
（江苏省新型动力电池重点实验室，南京师范大学化学与材料科学学院南京２１００９７）
摘要通过聚乙烯醇（ＰＶＡ）保护法制备了Ｖａｌｃａｎ ＸＣ－７２活性炭（ｘｃ）载Ａｕ（Ａｕ／ＸＣ）及碳化钨（ＷＣ）和ＸＣ 载Ａｕ（Ａｕ／ＷＣ．ＸＣ）催化剂，并研究了它们对氧还原的电催化性能和抗甲酸的能力。发现Ａｕ／ＷＣ－ＸＣ催化剂 对氧还原的电催化性能远高于Ａｕ／ＸＣ催化剂，而且甲酸的存在未使Ａｕ／ＷＣ—ＸＣ催化剂对氧还原的电催化性 能产生影响，说明Ａｕ／ＷＣ．ＸＣ催化剂有很好的抗甲酸能力。表明Ａｕ／ＷＣ—ＸＣ催化剂适合作为直接甲酸燃料 电池的阴极催化剂。 关键词直接甲酸燃料电池，碳载金催化剂，碳化钨，抗甲酸能力 中图分类号：０６４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－０５１８（２０１３）１２－１４７６－０５ ＤＯＩ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０９５．２０１３．３０１４７
直接甲酸燃料电池（ＤＦＡＦＣ）因燃料甲酸不易燃，便于储存和运输，电化学氧化性能好，透过Ｎａｔｉｏｎ 膜的量少等一系列优点，越来越受到人们的关注 １ ，虽然甲酸比甲醇对Ｎａｔｉｏｎ膜的渗透率要低２个数
量级。。 ，但还是有一定量的甲酸渗透到阴极，因此，在研究ＤＦＡＦＣ阴极时，一般不使用对甲酸氧化有高
的电催化活性的Ｐｔ基催化剂，而使用对氧还原有高的电催化活性而对甲酸氧化没有电催化活性的催化 剂，本研究组在以前报道了适合于ＤＦＡＦＣ中使用的阴极催化剂 Ｊ。碳载体具有较大的比表面积和良
好的导热导电性能，并且能为反应物和产物提供良好的传质通道 。但在电池的长期运行当中，碳材
料的稳定性如抗氧化性和抗腐蚀性等较差 Ｊ，从而影响电池的寿命。这是碳载体应用于燃料电池不
四氧化三钴 氧还原
四氧化三钴 氧还原
四氧化三钴是一种化合物，其化学式为Co3O4。它由钴和氧元素组成，其中氧元素的氧化态为-2。四氧化三钴的氧还原是指将其氧化态从+3还原为-2的化学反应。
氧还原是一种常见的化学反应，它涉及到氧元素的氧化态发生改变。在氧还原反应中，氧化剂接受电子而被还原，而还原剂失去电子而被氧化。在四氧化三钴的氧还原过程中，钴的氧化态从+3降至-2，意味着钴离子失去了电子，被氧化剂氧分子接受并被还原。
四氧化三钴的氧还原反应在许多领域都具有重要的应用。其中一个重要的应用是在电池技术中。四氧化三钴被用作锂离子电池的正极材料。在充电过程中，锂离子从负极移动到正极，而四氧化三钴接受锂离子并发生氧还原反应。这个反应是锂离子电池放电过程中的关键步骤，它提供了电流和能量。
另一个重要的应用是在催化剂领域。四氧化三钴具有良好的催化活性，可以用于气体的氧化反应，如甲烷的部分氧化。在这个反应中，四氧化三钴作为催化剂接受氧分子的电子并被还原，从而促进甲烷的氧化反应。这个反应在工业上广泛应用于合成气体和一氧化碳的生产。
四氧化三钴的氧还原反应还在环境保护方面发挥作用。四氧化三钴可以被用作氧化污染物的催化剂，如一氧化氮的催化氧化。在这个反应中，四氧化三钴接受氧分子的电子并被还原，从而促进一氧化氮的氧化为二氧化氮。通过使用四氧化三钴催化剂，可以有效减少大气中的一氧化氮污染物。
四氧化三钴是一种重要的化合物，其氧还原反应在电池技术、催化剂和环境保护等领域具有广泛的应用。通过了解和研究四氧化三钴的氧还原反应，我们可以更好地理解和应用这一化合物。希望未来能够进一步深入研究四氧化三钴的氧还原反应，以推动相关领域的发展和进步。
电催化氧还原反应
电催化氧还原反应
电催化氧还原反应是指利用电催化剂，通过传递电子使氧气分子在电极表面进行还原反应的一种方法。这种反应在电化学储能、电化学燃料电池、制氢、脱硝、化学合成等领域都有广泛的应用。
氧气，是一种极为重要的气体。在自然界和工业生产中都有着重要的作用。在自然界中，它是保持生态平衡、保持大气稳定的重要成分。而在工业生产中，氧气更是用于氧气切割、氧化反应及锻造冶炼工业等领域。但是氧气也有着比较棘手的一面，即氧气会与许多金属反应，从而导致金属的腐蚀，加剧设备开发及设备使用的成本。 为了解决这个问题，研究人员们逐渐发现了电催化氧还原反应这种方法。
电催化氧还原反应的重要性在于，它可以引导氧气分子在表面上发生还原反应，同时也可以降低氧气的电化学还原能，从而极大地提高了反应的效率。而且，这种反应的催化剂是非常稳定、容易制备的，相比于其他催化剂，它的工作电压以及能量损耗都非常低，从而更加实用。
电催化氧还原反应的机制一般是通过两个半反应来进行推导。第一个半反应是氧气的还原，遵从如下反应式:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
而第二个半反应则是氢离子的还原，遵从如下反应式 2H+ + 2e- → H2
结合两个反应式可以得到一个完整的反应式。
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
这个反应式表达的是氧气在电极表面上的还原反应，将氧气还原为水的反应中产生了4个电子，这些电子可以用于还原其他的化合物。
在实际使用中，最常见的是银催化氧气还原反应。银催化氧气还原反应是在银电极的表面催化氧气分子。大致反应可以描述为:
O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH-
这个反应会在电极表面形成过氧化物离子，同时还会产生一些活性物质，例如OH（羟基）离子这些活性物质，它们在后续的反应中也会发挥重要作用。
除了银之外，钯、铂、碳纳米管和氮化硼等都可以用于催化氧气还原反应。但是银易于制备，价格低廉，同时在电池领域应用广泛，因此银是催化氧气还原反应的比较理想的催化剂。
氧还原反应转换频率tof
氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）在电化学领域中是一种重要的反应类型，常用于评估催化剂或其他电化学系统的性能。转换频率（Turnover Frequency，TOF）是衡量氧还原反应活性的重要指标，表示在单位时间内，催化剂或电化学系统能够促使多少分子发生氧还原反应。
TOF 的计算公式如下：
TOF = （反应物消耗量
/ 催化剂质量）/ 时间
其中，反应物消耗量表示在单位时间内消耗的反应物物质的量，催化剂质量表示催化剂的质量，时间表示反应进行的时间。
TOF 的单位可以是（h^-1）即每小时作为单位，表示单位时间的反应次数；也可以是
mol/(g·h)，表示单位质量催化剂在单位时间催化的物质的量。
不同催化剂或电化学系统的 TOF 值可以用来比较其活性和效率。一般来说，TOF 值越高，说明催化剂或电化学系统的活性越强，反应速率越快。在实际应用中，提高氧还原反应的转换频率 TOF 是优化催化剂设计和电化学系统性能的关键目标。