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含主族s区金属辅酶因子碳材料的制备、电子结构调控与电催化氧还原反应研究

批准号:
22072140
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
陈乾旺
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈乾旺

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
电催化能源转换是能源发展的重要方向之一,其商业化应用依赖于活性高、价格廉的电催化剂。目前,电催化剂的设计是在过渡金属催化的d带中心理论指导下进行的,基于该理论建立了过渡金属d轨道中心位置与反应物种在金属表面吸附自由能的线性关系,进而通过“火山图”设计具有最佳吸附强度的过渡金属基催化剂。与过渡金属局域化的d带不同,主族金属具有离域的s/p带,其表面在吸附分子或原子时会形成宽化的吸附态能级,因而催化活性不高,很少被关注。但在自然界中,以主族s区金属为中心的辅酶因子在一些生化过程中表现出强的活性,因受限于导电性等要求而无法将酶用于电催化领域。本项目拟在理论计算的基础上,将主族s区金属辅酶因子M-Xn(M=Li,Na,K,Ca等,X=N,P,S,O等)镶嵌在类石墨烯中,通过改变M的配位结构来调控其电子结构,使其对氧还原反应中间体有合适的吸附强度,致力于将含主族s区金属碳材料发展成高活性电催化剂。
英文摘要
The s-block metal elements have received little attention in the application of oxygen reduction reactions (ORR) since most previous efforts have been devoted to developing transition metals as electrocatalysts guided by the d-band center model. It is known that the main-group metals and their related materials show poor catalytic activity due to a broadened single resonance derived from the interaction of valence orbitals of adsorbates with the broad s/p-band of main-group metals. However, main-group s block metal cofactors existing in enzymes are extremely active in biochemical reactions. Our density function theory calculations reveal that the catalytic activity of the main-group metals in oxygen reduction reaction is severely hampered by the tight-bonding of active centers with hydroxyl group intermediate. In this project, graphene-based M-Xn(M=Li,Na,K,Ca,X=N,P,S,O et al.)coordinated metal cofactors wil be investigated by both density function theory (DFT) simulations and experimental studies. The variation trends of the s/p-band centers of the main group metals cofactors, the adsorption strength of oxygenated species and the catalytic activity as well will be tuned by changing M local X-coordination. The project would help to find novel highly active ORR catalysts and the concept that tuning the p-electronic density of s-block metal may provide new insight to design other novel main-group metal based single-atom catalysts.
氧还原反应(ORR)对于质子交换膜燃料电池和金属-空气电池等能量转换和存储系统具有重要意义。基于过渡金属催化的d轨道中心理论,此前大多数研究工作者将目光聚焦在将过渡金属(如Fe、Co、Ni等)发展成高效的ORR催化剂上,但一些过渡金属基单原子催化剂在发生氧还原反应的过程中仍表现出较差的稳定性,尤其是在酸性电解液中,由于具有中间价态或含有不饱和配位结构的过渡金属中心会促进芬顿反应,使其在ORR反应中的稳定性表现不佳。与过渡金属不同,s区主族金属元素具有较少的价电子,通常仅表现出单一的氧化态。但其宽化的s/p带与吸附中间体价轨道相互作用形成宽化的单一共振带,不利于电子转移和反应的进行。而一些主族金属单原子酶却在一些反应中显示出很高的活性。因此,考虑以s区主族金属元素作为单原子催化剂的金属活性中心,通过构筑适当的配位结构对其进行电子结构调控,有望发展出高活性催化剂,并能有效缓解芬顿反应,避免对电极和电解质膜的伤害,在保持单原子催化剂高ORR催化活性的同时,提高催化剂的耐久性。 针对上述问题,本课题基于理论计算,制备了一系列高活性ORR催化剂,用X-射线近边吸收精细结构(XANES)对催化剂进行了表征,建立了“构效关系”。密度泛函理论(DFT)计算显示,主族金属(如Ca)中心的高ORR催化活性归因于其p轨道电子结构分波态密度(PDOS)的最高峰 (EP)受配位原子N和O的共同调控,发生移动并靠近费米能级,从而促进了其对ORR中间体的吸附和电子转移。该项目建立的主族金属电子结构调控与催化的方法和取得的成果,丰富了ORR电催化剂体系,也为设计制备其它化学反应催化剂提供了新思路。
石墨烯电子结构调控与催化碱性氢氧化反应研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    陈乾旺
  • 依托单位:
基于金属有机框架化合物设计制备高活性碳基纳米电催化剂
  • 批准号:
    51772283
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    陈乾旺
  • 依托单位:
基于M3[Co(CN)6]2@SiO2核-壳纳米粒子的MRI与荧光成像、药物装载和靶向治疗研究
  • 批准号:
    21571168
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    陈乾旺
  • 依托单位:
强磁场下的化学合成装置与材料制备的基本问题研究
  • 批准号:
    U1232211
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    240.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    陈乾旺
  • 依托单位:
国内基金
海外基金