NiO/CoOX(X=P, S和Te)复合功能催化剂活性位相界面调控增强尿素电解制氢性能研究
批准号:
22078032
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
熊昆
依托单位:
学科分类:
光化学与电化学工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
熊昆
中文摘要
研制高效的非贵金属催化剂催化尿素氧化是发展尿素电解制氢和直接尿素燃料电池技术的关键。然而,现有催化剂仍面临活化活性位少和易中毒失活的问题。鉴于尿素分子中分解生成N2的氨基是供电子基团,生成CO2的羰基是吸电子基团,本项目提出设计构建具有缺电子与富电子特性的双活性位复合功能催化剂NiO/CoOX(X=P, S和Te)。通过调控CoO晶体结构(非晶态、面心立方和六方密堆相)及CoOX(X=P, S和Te)的取代程度,利用界面工程形成可与氨基和羰基匹配的缺电子和富电子双活性位相界面,研究不同晶相结构产生的配位不饱和钴和多价电子非金属诱导氧化镍界面局域畸变的影响规律;分析电子转移形成的界面区缺电子NiOOH与富电子CoOX(X=P, S和Te)对氨基和羰基的识别和选择性吸附;阐明其与活性和抗中毒稳定性间的构效关系。本研究工作可为开发高效尿素电解制氢和其它有机电氧化催化剂提供新的设计思路和理论指导。
英文摘要
Designing high-efficient non-noble metal catalysts for electrocatalytic urea oxidation reaction (UOR) has been one of the major challenges for promoting the urea electrolysis and development of direct urea fuel cells. However, traditional catalysts cannot satisfy the demand of urea electrolysis due to the lack of enough active sites and unfavorably strong binding of active sites with intermediates. Since the amino group oxidized to N2 is the electron-donating group and the carbonyl group oxidized to CO2 is the electron-withdrawing in urea molecule, herein, we will propose construction of composite functional catalysts NiO/CoOX(X=P, S and Te) with double active sites of deficient electron and rich electron. The crystal phase structure of CoO (amorphous, face centered cubic and hexagonal closed packed phase) will be regulated, as well as the degree of substitution of CoOX (X=P, S and Te). Interface engineering is used to form double active sites of deficient electron and rich electron that can be matched with amino and carbonyl groups. The unsaturated Co from different crystal CoO and abundant valence electrons from nonmetals induce the distortion of crystal structure in the interfaces of NiO and CoO, promoting the formation of more highly active interface regions. The formed electron-deficient NiOOH and electron-rich CoOX(X=P, S and Te) will selectively adsorb and activate amino and carbonyl groups. The influence on the UOR activity and stability of the as-synthesized NiO/CoOX(X=P, S and Te) will be systematically investigated. In summary, this project will enrich the theory of high-efficient oxidation of urea and provide a solid scientific guideline for designing and optimizing high-efficient catalysts for other organic electrooxidation.
研制高效的非贵金属催化剂催化尿素氧化是发展尿素电解制氢和直接尿素燃料电池技术的关键。然而,现有催化剂仍面临活化活性位少和易中毒失活的问题。鉴于尿素分子中分解生成N2的氨基是供电子基团,生成CO2的羰基是吸电子基团,本项目提出Ni基复合功能催化剂活性位相界面调控增强尿素电解制氢性能。通过可控合成多孔Ni及其纳米片,进一步调控金属-非金属杂化(P, S和Te)形成具有缺电子与富电子特性的双活性位复合功能催化剂NiO/MX(X=P, S和Te)。利用界面工程形成可与-NH2和-C=O匹配的缺电子和富电子双活性位相界面,研究了不同晶体结构产生的配位不饱和位和多价电子非金属诱导NiO界面局域发生畸变的影响关系,阐明了其与活性和抗中毒稳定性之间的构效关系。具体研究结果表明,通过控制退火模式、引入阴阳离子可以调控碲化镍的晶相结构,改变Te与Ni的配位环境,并伴随造成更多的缺陷,暴露更多的活性位点,有助于提高反应动力学,为活性-晶相结构之间的关系提供了有价值的见解;在多孔镍表面原位形成氢氧化镍并掺杂稀土元素制得Ce掺杂Ni2P纳米片,形成“Ce3+/Ce4+氧化还原对”的相互转化加快了电催化过程中的电荷转移速率,为Ni2+到Ni3+的预氧化过程提供了有效的缓冲空间,在电催化尿素氧化过程中协同形成可分配选择性吸附/活化-NH2和-C=O的缺电子和富电子的双活性位机制,加速了催化反应,在实际尿液废水降解耦合水分解制氢中表现出优异的电催化活性和稳定性;构建丰富表界面的Ni(OH)2/p-Ni,并引入Ru形成Ru-NiO/p-Ni电催化剂,优化尿素氧化过程中协同形成可分配选择性吸附/活化-NH2和-C=O的缺电子和富电子的双活性位机制,从而使电极的本征活性显著提高;通过精确控制退火条件,形成Ni-MoOx(MoO2/MoO3)选择性吸附/活化-NH2和-C=O,实现了二者有机统一,提高了UOR催化活性和抗中毒稳定性,建立了关键影响因素的控制方法,为推进尿素氧化和其它有机电氧化应用提供了研究基础。
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:熊昆
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依托单位:
NiO/CoOX(X=P, S和Te)复合功能催化剂活性位相界面调控增强尿素电解制氢性能研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:63万元
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批准年份:2020
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负责人:熊昆
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依托单位:
一体化镍基金属碲化物的结构调控及电催化析氢研究
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批准号:21606028
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:熊昆
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依托单位:
国内基金
海外基金