Please wait a minute...
图/表 详细信息
非热解共价有机聚合物基氧还原电催化材料
鲍春竹, 向中华
高等学校化学学报    2023, 44 (5): 20220715-.   DOI:10.7503/cjcu20220715
摘要   (300 HTML13 PDF(pc) (16243KB)(107)  

在全球引入氢能技术助力实现碳中和目标的过程中, 高效、 低成本且长寿命的氧还原反应(ORR)阴极电催化剂具有重要作用. 近年来, 非贵金属催化剂的ORR催化活性和稳定性显著提高. 共价有机聚合物(COPs)因其可调节的孔隙率、 可修饰的骨架和周期性排列的有序结构而成为理想的分子结构定制的材料平台. 然而, 常用的高温热解合成策略中, 材料的结构变化不可预测, 真正的活性位点不明确, 阻碍了研究者对催化机理的深入探索. 非热解策略应运而生, 其可以充分发挥COP基材料可定制性的优势. 非热解COP基催化剂精确可控的结构能够为ORR催化机理的研究提供一个理想的模型, 从而指导设计催化性能更优秀的ORR电催化材料, 进一步促进材料的宏观制备. 本文从源头出发, 深入分析了ORR反应机理, 逐步归纳非热解COP基催化剂的设计原则和合成策略. 然后, 结合该领域内具有代表性的文献, 分析了非热解COP基材料电催化性能的影响因素, 系统阐述了非热解策略在ORR领域中的研究进展. 最后, 总结了本课题组对非热解COP基氧还原电催化材料的研究工作, 并进一步展望了非热解技术的发展前景及面临的挑战.



View image in article
Fig.1 Reaction process at the three phase interface of fuel cell cathode electrode and the direction of ORR activity enhancement
正文中引用本图/表的段落
由图1可见, 阴极上的催化过程需要在气相反应底物(氧)、 液相还原剂(电解质)和固相传质载体(催化剂/集电极)三相界面处的催化剂表面进行电子的传递和分布. 一种优良的催化剂既需要配备高活性位点密度的优异本征活性, 又需要具有优异电子传递能力的导电网络. 基于上述机理, 结合COP基催化材料的结构特性, 利用非热解法控制材料的局部几何和电子结构能够有效提高催化剂的本征活性. 其中, 采用“自下而上”的理念设计构筑活性位点与电子迁移骨架结构, 实现活性位点与导电骨架的有效协同配合, 促进催化层内的物质传输、 拓展三相反应界面. 根据构筑方式的不同, 已发表的非热解COP基氧还原电催化材料主要分为本征型和负载型. 本征型非热解COP基催化材料能够充分利用其本征催化性能. 研究人员对COP基材料的共轭体系进行改性, 在保留原有活性中心的同时, 提高了材料的催化活性、 导电性和稳定性. 在上述研究的基础上, 负载型非热解COP基催化材料拓展了非热解策略制备工艺. 既保留了本征型催化剂的活性位点, 又进一步提高了材料的导电性, 推动了导电性能较差的本征型催化剂的深层发展, 也为器件设计的应用拓展了新的道路.
本文的其它图/表