电化学中的不对称催化剂设计及其氧还原反应
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]。
电催化氧化的原理及其应用
电催化氧化的原理及其应用1. 引言电催化氧化是一种利用外加电流促进化学反应的方法。
其原理基于电化学和催化化学的理论，通过电子转移和催化剂的作用，可以实现氧化反应的高效率和选择性。
本文将介绍电催化氧化的基本原理，并讨论其在工业生产和环境保护等方面的应用。
2. 电催化氧化的基本原理电催化氧化是在外加电势的作用下，通过催化剂将氧分子还原为氧根离子，并将底物氧化为高价态化合物的过程。
其基本原理如下：•电子转移：外加电势使催化剂表面产生正电荷和负电荷，形成电子转移的条件。
正电荷吸引氧分子，负电荷接受氧分子中的电子。
•催化作用：催化剂提供活化能降低的反应路径，促进氧根离子通过电子转移参与底物的氧化反应。
3. 电催化氧化的应用电催化氧化在多个领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：3.1 燃料电池电催化氧化是燃料电池中氧还原反应的关键步骤。
通过催化剂将氧气还原为氧根离子，提供电子给外部电路，实现燃料电池的能量转换。
燃料电池广泛应用于汽车、航空航天等领域，具有高效率、低污染的特点。
3.2 有机合成电催化氧化可被用于有机合成反应中。
通过选择合适的催化剂和反应条件，可以实现氧化反应的高效、高选择性。
例如，将醇氧化为醛、酮或羧酸，合成有机合成中重要的化合物。
3.3 废水处理电催化氧化可用于废水处理中的有机物降解。
通过提供适当的电势和催化剂，实现废水中有机物的氧化反应，降解有机物浓度、减少污染物排放。
电催化氧化技术在工业废水处理、污水处理厂等环境保护领域有重要应用。
3.4 空气净化电催化氧化可用于空气净化中的有害气体去除。
通过使用合适的催化剂和电势，在空气中将有害气体如挥发性有机物（VOCs）氧化为无害的气体，提高空气质量。
3.5 电化学传感器电催化氧化可用于电化学传感器中的底物检测。
通过催化剂促进底物氧化反应，产生电流信号，实现对底物浓度的检测。
电化学传感器在生命科学、环境监测等领域具有重要应用。
4. 结论电催化氧化是一种基于电化学和催化化学原理的效率高、选择性好的氧化方法。
电催化析氧反应的热力学平衡势
电催化析氧反应的热力学平衡势电催化析氧反应是一种重要的电化学反应，其热力学平衡势对于理解电化学催化剂的活性和稳定性具有重要意义。
本文将从热力学平衡势的角度来探讨电催化析氧反应的机理和影响因素。
电催化析氧反应是指在电极表面发生的氧气还原反应，通常用于制备氧气或用于燃料电池中的阴极反应。
在电解水制氢过程中，电催化析氧反应是制约水电解效率的重要因素之一。
理解电催化析氧反应的热力学平衡势可以帮助我们优化催化剂的设计和性能，提高反应效率和催化活性。
热力学平衡势是指在给定温度和压力下，反应体系达到平衡时的自由能变化。
对于电催化析氧反应而言，其平衡势可以通过计算氧气的标准电势来获得。
标准电势是指在标准状态下，一个半电池中电子传递的自由能变化。
对于电催化析氧反应而言，其标准电势为1.23V。
这意味着在标准状态下，电催化析氧反应是一个自发进行的反应。
然而，在实际应用中，电催化析氧反应往往需要在非标准条件下进行，因此需要考虑温度、压力和溶液中氧气和水的浓度等因素对反应的影响。
根据热力学原理，反应的平衡势随温度的升高而增大，随压力的增加而减小。
这意味着在高温和高压条件下，电催化析氧反应的平衡势将向正向偏移，反应速率将增加。
催化剂的选择和性能也会对电催化析氧反应的热力学平衡势产生影响。
催化剂可以降低反应的活化能，提高反应速率。
常用的电催化析氧反应催化剂包括铂、铱、钌等贵金属和其合金。
这些催化剂具有良好的氧还原活性和稳定性，能够提高反应的速率和效率。
此外，催化剂的表面形貌、结构和晶格缺陷等也会对反应的平衡势产生影响。
有研究表明，催化剂表面的活性位点数量和可利用性对反应的效率和选择性有重要影响。
除了催化剂的选择和性能，溶液中氧气和水的浓度也会影响电催化析氧反应的平衡势。
根据Le Chatelier原理，当氧气或水的浓度增加时，反应的平衡势将向正向偏移，反应速率增加。
因此，在实际应用中，通过调节溶液中氧气和水的浓度可以优化反应的速率和效率。
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。
电化学催化
本质： 本质：通过改变电极表面修饰物（或表面状态）或溶液中 的修饰物来大范围地改变反应的电势或反应速率，使电极 具有电子传递功能外，还能对电化学反应进行某种促进和 选择。 电化学催化的重要特点是能够方便地通过改变固/液 界面电场有效地控制反应方向和速度。与异相催化作用类 似，反应分子与电催化剂表面的相互作用导致途径改变、 活化能降低是关键。电催化剂的表面结构(化学组成、几 何原子排列和电子结构)是决定其性能的最重要参数。
影响电催化性能的因素
电极材料对大多数复杂电极过程的动力学有着重 大影响，选择适当的电催化剂是顺利实现这些复杂电 极的关键，电催化剂必须具备的性能有： （1）催化剂有一定的电子导电性，至少与导电材料结 合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降的电子 通道，即电极材料的电阻不太大； （2）高的催化活性，实现催化反应，抑制有害的副反 应，能耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地中毒 失活； （3）催化剂的电化学稳定性，即在实现催化反应的电 势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早的失去 催化活性。这一点对于实际应用的电化学至关重要。
电催化广泛存在于涉及电极表面吸、脱附的电化学过 程中,较典型的有氢电极过程、氧电极过程和氯电极过程 等。在氯碱电化学工业、电有机合成、化学能源转换，特 别是燃料电池工业的发展中，电催化问题的解决始终具有 举足轻重的作用。
电催化作用：既可由电极材料本身 电极材料本身产生，也可通过各 电催化作用 电极材料本身 种工艺使电极表面修饰和改性 修饰和改性后获得。 修饰和改性
一、引言
什么是电催化？ 什么是电催化？ 我们知道，在化学反应中往往加入某种物质，以 加快反应速度，而该物质本身在反应中既不会产生， 也不会消耗，该物质对反应的这种加速作用称为电化 学催化作用，所加的这种物质就称为催化剂。而在整 个电极反应中既不会产生也不会消耗的物质，对电极 反应的加速作用称为电化学催化，能催化电极的反应 或者说对电极反应起加速作用的物质称为电催化剂。
《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。
高中化学实验六 氧化还原反应电化学
Eθ = 0.50V >0
实验六 氧化还原反应──电化学
三、实验用品
1. 仪器 伏特计或万用表，烧杯二只（50mL）,盐桥（充有琼脂的
饱和KCl溶液的U型管）。 2. 药品 酸：HCl (1mol ·L–1,浓)，H2SO4 (2mol ·L–1, 3moL ·L–1),
实验六 氧化还原反应──电化学
3. 催化剂对氧化还原反应速率的影响
在1mL H2SO4(2 mol ·L–1)中，加入3mL蒸馏水和5 滴MnSO4(0.002 mol ·L–1)溶液混合后分成两份： 往一份中加入黄豆大小量的K2S2O8，微热，观察 溶液有无变化；往另一份中加1滴 AgNO3(0.1mol ·L–1)溶液和同样量K2S2O8，微热， 观察溶液颜色变化。写出有关反应，解释之。
Key: （A）
实验六 氧化还原反应──电化学
4. 摇摆反应（过氧化氢的氧化还原性） (2 ) 实验方法：
往试管中按任意顺序加入A、B、C三种溶 液各1mL混合均匀，少许时间溶液由无色 变蓝色，又由蓝色变无色，如此反复十余 次，最后变为蓝色。
实验六 氧化还原反应──电化学
4. 摇摆反应（过氧化氢的氧化还原性）
（3）反应机理： (a) 摇摆反应的基本反应为：
(b) 辅助试剂起到调节（1）、（2）反应速率的作用。 试用元素电势图解释反应现象。
实验六 氧化还原反应──电化学
4. 摇摆反应（过氧化氢的氧化还原性）
已知在酸性介质中元素电势图：
实验六 氧化还原反应──电化学
[思考题]
（1）如何根据电极电势，确定氧化剂或还原剂的相对强弱？ （2）在CuSO4溶液中加入过量NH3•H2O，其电极电势怎样
orr电化学测试中cv的氧化峰存在峰的原因
在进行orr电化学测试中，CV（循环伏安）曲线是常见的测试手段之一，通过该曲线可以观察到氧还原反应（ORR）的特征性氧化峰。
那么，为什么在orr电化学测试中CV的氧化峰存在峰呢？让我们来深入探讨一下。
1. 物理化学原理解析在ORR过程中，氧气分子在电极表面发生还原反应，产生氧化物离子。
在CV测试中，电极在不同电位下施加电压，导致氧还原反应发生，并产生特征性的氧化峰。
这些氧化峰的存在，与ORR过程中的物理化学原理密切相关。
2. 表面催化剂的作用在orr电化学测试中，常常采用金属或合金作为电催化剂，其中一种常见的电催化剂是铂。
这些催化剂在电催化过程中起着重要作用，能够降低ORR的活化能，促进氧还原反应的进行，从而形成CV曲线上的氧化峰。
3. 氧还原反应的动力学过程氧还原反应是一个复杂的动力学过程，包括氧分子在电极表面的吸附、解离和还原等多个步骤。
CV曲线中的氧化峰反映了这些动力学过程的特征，如吸附能、解离速率等，因此有助于理解氧还原反应的动力学特性。
4. 电极材料的表面结构除了催化剂的作用和动力学过程，电极材料的表面结构也会影响CV曲线中氧化峰的形成。
表面缺陷、晶格结构、表面氧化物等因素都可能影响氧还原反应的进行，进而影响氧化峰的形成。
orr电化学测试中CV的氧化峰存在峰的原因与多方面因素密切相关，涉及物理化学原理、电催化剂的作用、氧还原反应的动力学过程以及电极材料的表面结构等方面。
通过深入研究和分析这些因素，可以更好地理解CV曲线中氧化峰的形成机制，为ORR过程及相关领域的研究提供有益的参考和指导。
总结回顾，本文从物理化学原理、催化剂作用、动力学过程和电极表面结构等多个角度对orr电化学测试中CV的氧化峰存在峰的原因进行了探讨。
这些讨论有助于加深对这一主题的理解，同时也启发人们进一步研究和探索，以推动该领域的发展。
个人观点来看，对于这一复杂的氧还原反应过程，我们需要综合多方面因素进行分析，不断深化对其机制的认识，以期更好地应用和推广相关技术和方法。
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电化学中的不对称催化剂设计及其氧还原反
应
随着能源问题的日益严峻，寻找高效、环保、低成本的新能源
已成为当今科学研究的一大热点。
氢燃料电池作为最有潜力的新
型能源之一，受到了广泛的研究关注。
然而，氧还原反应是氢燃
料电池中最关键的一步，同时也是最难的一步。
因此，如何研发
高效的催化剂，加速氧还原反应，成为了氢燃料电池研究中的一
个重要方向。
不对称催化剂设计是当前研究氧还原反应催化剂的热点。
传统
的对称催化剂存在诸多问题：如易受污染，稳定性较差等等。
而
不对称催化剂的设计则能够很好地解决这些问题，并能够应用于
氢燃料电池中。
下面我们就从不对称催化剂设计的角度，探讨氧
还原反应的机理和催化剂设计的关键。
1.氧还原反应机理
氧还原反应是指将氧气还原为水的化学反应。
在氢燃料电池中，氧还原反应是通过催化剂催化进行的。
在反应机理中，氧还原反
应可分为两个步骤：氧分子的吸附和还原。
这两个步骤的反应速
率都取决于催化剂表面的反应活性位点，因此催化剂的设计至关重要。
2.不对称催化剂
不对称催化剂是指只有一种手性的催化剂，通常具有更高的活性，并且能够选择性地催化手性反应。
由于不对称催化剂只有一种手性，因此错位再分配反应的可能性小，同时也更加稳定。
通常情况下，不对称催化剂的设计都是基于对称催化剂的结构进行的。
通过对称催化剂结构的改变，可以制备出具有手性的不对称催化剂。
例如，通过改变双酰胺、罗丹明、马来酸、吡啶等分子中的官能团，可以得到一系列钯催化的不对称催化剂。
这些不对称催化剂能够实现高效的氧还原反应，同时提高催化剂的稳定性和选择性。
3.氧还原反应中的催化剂设计
在氧还原反应催化剂的设计中，最为重要的是表面活性位点的
设计。
这些活性位点的数量、位置、结构及组成对反应速率和催
化剂的稳定性都有很大的影响。
表面的活性位点分为过渡金属自由原子和氧化物上的“孔壳”两
大类。
其中，过渡金属自由原子通常是氧化物催化剂表面的反应
活性位点，对氧分子的吸附和还原具有非常重要的作用。
而“孔壳”则是指催化剂表面的裂隙和孔道，通常能够提供更为广泛的反应
表面积和催化活性。
因此，在不对称催化剂的设计中，需要结合这两类活性位点，
构筑具有手性的反应活性位点结构。
同时，催化剂表面的原子组成、晶体结构和氧化还原性质也需要考虑。
这些因素的综合影响，决定了催化剂的活性、稳定性和选择性等性质。
4.未来发展
随着氢燃料电池技术的不断发展，不对称催化剂的设计和实际
应用也将面临更加严峻的挑战。
未来研究中，需要进一步探索催
化剂表面的活性位点结构和组成，同时也需要考虑环境友好型的
设计和制备方法。
这些研究将有助于推动氢燃料电池和其它新型能源技术的发展。
结语
作为当前最有潜力的新型能源之一，氢燃料电池的研究已成为当今科学研究的重点之一。
氧还原反应是氢燃料电池中最关键的一步，同时也是最难的一步。
因此，设计高效、环保、低成本的氧还原催化剂已成为当代科学研究的重要方向。
随着不对称催化剂设计的不断改进和氢燃料电池技术的快速发展，相信我们很快就能够看到更加清洁、高效、可持续的新型能源技术的诞生。