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能源催化领域最新进展集锦 | 二氧化碳电还原、氮气电还原制氨

已有 1649 次阅读 2019-8-28 22:40 |个人分类:热点研究|系统分类:博客资讯

01二氧化碳电还原制乙醇


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用电力驱动将二氧化碳还原为高价值的产物可用于碳回收和能量存储。在众多还原产物中,乙醇作为一种液态燃料具有较高的吸引力。不过,目前所报道的成果中,乙醇的最大法拉第效率仅为约10%,如何提升这一指标具有重要意义。近日,瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Grätzel课题组通过电化学合成手段制备了CuO/ZnO双金属氧化物核壳催化剂。研究发现这种催化剂在大范围的电解电压内都能展示出较高的生成乙醇的法拉第效率,对于C2+液态产物的法拉第效率更是高达41%。在流动相电解池(flow cell)中,这一催化剂在-0.68V的电位下实现了96mA cm-2的高电流密度和约48%的法拉第效率。研究人员还通过原位拉曼技术对反应机理进行了深入探讨。这项工作为高选择性二氧化碳电还原催化剂的设计提供了新思路。


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阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201909610 



02协同效应用于二氧化碳电催化还原


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要实现二氧化碳电还原的工业应用,就必须能在较低的过电势下同时实现高电流密度、高法拉第效率和较高的稳定性,这对电极催化剂提出了巨大的挑战。近日,中国科学院大连化学物理研究所汪国雄课题组提出可利用酞菁钴和Fe-N位点的协同作用提高电催化二氧化碳还原的性能。具有这种协同效应的催化剂可在约700mV的电势窗口内能实现高于90%的CO法拉第效率。相比于只有铁的催化剂,这种复合催化剂的CO生成电流密度可提升十倍,同时伴随着更高的稳定性。密度泛函理论计算结果表明,钴位点可以促进CO的脱附并抑制铁位点的析氢反应,从而解释了该复合材料较高的催化性能。这项工作强调了协同作用在设计高效电催化剂中的重要作用。

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阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903470 



03电催化氮气还原制氨


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电化学合成氨被视为哈勃法制氨的一种可持续替代方案。但电催化氮还原制氨(NRR)仍然面临着诸多问题:较低的法拉第效率(通常是由于较高的析氢反应(HER)速率造成)和迟缓的氮气分子活化。近日,清华大学李景虹/吉庆华课题组提出将Se和O同时掺入无HER活性的Te纳米棒可同时提升NRR的选择性和活性。理论研究显示,掺杂引入的表面孤对电子可通过反馈π键使N2和Te的电子云最大程度上重叠,从而活化N2分子。实验结果显示,在约300mV的过电位下,该催化剂可获得约24%的法拉第效率和约21μg h−1 mg−1 的产氨速率。这项工作为设计高性能NRR催化剂提供了方向。


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阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201901627 



04金属间化合物用于甲酸氧化


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铂在多种催化反应中都具有较高的活性,但在甲酸电催化氧化中却常因为一氧化碳中毒而失活。制备能够将甲酸直接氧化成二氧化碳的高活性电催化剂是液体燃料电池商业化中一个重要的问题。近日,南方科技大学权泽卫课题组报道了一种PtSnBi金属间化合物纳米片可用于促进电催化甲酸氧化性能。受益于三种金属的协同作用,这种三元金属纳米片的催化活性远高于二元PtSn或PtBi催化剂。其中,Pt45Sn25Bi30纳米片实现了超过4000 mA mg-1Pt的铂质量活性,使其成为了目前最先进的催化剂之一。理论计算研究表明,这种三元金属间化合物纳米片的电子和几何效应有助于抑制CO*的形成且有利于脱氢步骤,保障了较高的甲酸氧化催化活性。

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阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903683 



05甲烷选择性氧化


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甲烷选择性氧化到甲醇有利于能源的运输和高效利用,但如何将甲烷高效准确地氧化为甲醇对催化剂提出了极高的要求。近日,挪威奥斯陆大学Michael Dyballa课题组的一项研究阐明了铜-丝光沸石催化剂将甲烷氧化为甲醇这一过程中防止甲烷过氧化的关键步骤。研究人员通过傅里叶变换红外光谱法(DRIFTS)发现Brønsted位点上的表面甲氧基(SMG)是极为关键的中间体。铜丝光沸石上生成的SMG与无铜丝光沸石上SMG的化学位移相同,并能与甲醇、水或一氧化碳反应生成对应的产物。同时,并没有证据表明Cu位点能够稳定SMG。这些现象解释了为什么H型丝光沸石的性能优于Na型。这一研究结果对于甲烷到甲醇的选择性氧化具有重要意义。


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阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cctc.201901315 


(本期作者王潇乾)




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