化工儀器網(wǎng)手機版
移動端訪問更便捷
今日焦點 Today's Focus
查看更多+-
干貨滿滿！“電子顯微鏡技術(shù)助力新能源多領(lǐng)域突破：鋰電、綠氫與光伏的前沿探索”線上會議來啦
2025年4月23日14：00，化工儀器網(wǎng)特聯(lián)合賽默飛[詳細]
最新產(chǎn)品 Latest productS
查看更多+
流動電催化：動起來的催化劑更有效率也更耐疲勞
2021年01月18日 16:35:51
來源：化學科學部 點擊量：6473
在國家自然科學基金項目(批準號：21972039)等資助下，湖南大學周一歌教授、美國西北大學黃嘉興教授以及電子科技大學康毅進教授合作，創(chuàng)新性地提出“流動電催化(Fluidized Electrocatalysis)”策略，該策略可顯著提高電催化劑的抗疲勞性和穩(wěn)定性，甚至可以讓很不穩(wěn)定的催化劑達到持久穩(wěn)定的催化效果。研究成果以“流動電催化(Fluidized Electrocatalysis)”為題
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】在國家自然科學基金項目(批準號：21972039)等資助下，湖南大學周一歌教授、美國西北大學黃嘉興教授以及電子科技大學康毅進教授合作，創(chuàng)新性地提出“流動電催化(Fluidized Electrocatalysis)”策略，該策略可顯著提高電催化劑的抗疲勞性和穩(wěn)定性，甚至可以讓很不穩(wěn)定的催化劑達到持久穩(wěn)定的催化效果。研究成果以“流動電催化(Fluidized Electrocatalysis)”為題，于2020年2月12日發(fā)表在《中國化學會會刊(英文)》(CCS Chemistry)上。論文發(fā)表后，美國化學會新聞周刊《化學化工新聞》(Chemical&Engineering News)以“自由游動的電催化劑勝過固定催化劑(Free-floating electrocatlysts outperform tethered ones)”為題，報道了該研究成果。 
圖.固定電催化與流動電催化
在電催化反應(yīng)中，催化劑材料通常被粘附在電極(比如碳電極)的表面，之后浸入電解液中，并與之進行長時間、連續(xù)的電化學反應(yīng)(圖a)。電催化反應(yīng)普遍存在著疲勞機制，如:反應(yīng)中間體可能導致催化劑表面中毒，催化劑顆粒在長時間的電化學“壓力”下發(fā)生團聚、燒結(jié)、溶解或鈍化等。另外，反應(yīng)活性物種到催化劑表面的擴散受限也會導致催化電流衰減。催化劑疲勞會大大降低催化劑的工作效率，縮短其壽命，導致整個電化學體系性能下降。針對此問題，傳統(tǒng)的策略是從催化劑本身出發(fā)或調(diào)控其表面狀態(tài)和化學成分，或通過改進催化劑載體材料來防止催化劑顆粒的聚集和脫落，然而由于催化劑疲勞機制多種多樣、催化劑及其載體的材料、成分和結(jié)構(gòu)也各不相同，這些基于催化材料本身的解決方案往往只適用于特定的催化劑，不具有普適性。周一歌、黃嘉興及康毅進三位教授合作，創(chuàng)新性地提出“流動電催化”的新策略(圖b)，即催化劑顆粒并非以傳統(tǒng)方式固定在電極上，而是在電解液中流動，從而提高電催化劑的抗疲勞性能。
單個顆粒與電極碰撞時產(chǎn)生瞬態(tài)法拉第電流積累起來，可輸出連續(xù)、穩(wěn)定、可隨催化劑用量增大而不斷增大的電流。對每一個催化劑顆粒而言，電場只有在粒子與電極發(fā)生碰撞時才會作用于粒子并驅(qū)動電子轉(zhuǎn)移，從而降低了電化學壓力作用于催化劑顆粒上的時間尺度，抑制了許多常見的疲勞機制。同時，流動模型在空間和時間上將電子轉(zhuǎn)移步驟與其它相對較慢的電極反應(yīng)步驟(如物質(zhì)傳質(zhì)過程)分開，使得電極反應(yīng)不再受傳質(zhì)限制，因此，流動催化劑還將具有更快的反應(yīng)動力學特性。
本研究以典型的Pt/C顆粒為模型催化劑，分析了碳微電極上Pt/C單顆粒在析氧反應(yīng)中的電化學行為，如顆粒碰撞頻率、碰撞時間尺度、單顆粒產(chǎn)生的催化電流強度等。隨后證明了流動催化模型的輸出電流表現(xiàn)出隨電極面積及催化劑顆粒濃度的增大而增加的特征，而固定催化模型的輸出電流則隨催化劑負載量的增加很快達到飽和；同時通過計算發(fā)現(xiàn)了流動體系中單顆粒的電流效率比固定體系高出兩到三個數(shù)量級的現(xiàn)象，這也是為什么流動體系中單位時間內(nèi)同時參加反應(yīng)的催化劑顆粒數(shù)遠遠小于固定體系，卻依然能達到與后者相差不大的電流輸出的原因。隨后，本研究以析氧反應(yīng)(OER)、甲醇氧化反應(yīng)(MOR)及析氫反應(yīng)(HER)三個經(jīng)典電催化反應(yīng)為模型，驗證了流動電催化策略可緩解一系列不同催化劑疲勞的機理。
綜上所述，本研究提出的流動電催化策略，將催化劑顆粒的工作模式由傳統(tǒng)的長時間、連續(xù)性工作轉(zhuǎn)變?yōu)檩喠鳌㈤g斷性工作，從而避免了電化學壓力的不斷積累。同時，催化劑顆粒將經(jīng)歷更快的反應(yīng)動力學并輸出更高的電流效率，這有利于抑制材料性能的衰減。流動催化劑較固定催化劑具有更高的穩(wěn)定性，且易于回收及再利用，因此流動催化劑的長時間工作成本將遠遠低于固定催化劑的成本。因此，該策略有望發(fā)展成一種具有普適性的簡單、高效、可提高電催化體系總體性能及穩(wěn)定性的新方法。
相關(guān)閱讀 Related Reading
查看更多+-
中國科學院大學與北京大學聯(lián)合科研團隊，從現(xiàn)有催化劑穩(wěn)定性瓶頸切入，成功研制出一種超長壽命、高效制氫新技術(shù)。2025-02-18 13:13:49
-
廈門大學科研團隊通過摻雜16種稀土元素，成功制備出一系列具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鉑碲基海參狀納米催化劑，并實現(xiàn)了其高效甲酸電催化應(yīng)用。2025-01-27 10:10:00
-
近日，德國馬克斯·普朗克研究所科學家研制出一種獨特的拓撲手性晶體，并將其用作水解制氫過程中的催化劑。通過操控該晶體內(nèi)電子...2024-12-02 11:18:56
-
近日，中國科學技術(shù)大學李微雪課題組在《科學》雜志上發(fā)表了一項催化領(lǐng)域的突破性研究成果，他們通過揭示負載型金屬催化劑的“金屬-載體相...2024-11-23 15:05:36
-
中國科學技術(shù)大學帶來新成果 讓“永久化學品”也能輕松降解
永久性化合物通常指的是全氟和多氟烷基物質(zhì)。由于全氟和多氟烷基物質(zhì)的分子內(nèi)有牢固的碳-氟鍵，因此這類物質(zhì)通常具備了獨特的熱穩(wěn)定性、化...2024-11-21 13:32:50 -
近日，安徽大學化學化工學院傳來喜訊，由魏宇學和孫松團隊研制的催化劑快速篩選裝置已完成工程機樣機迭代，并成功推向市場。這一創(chuàng)新成果不...2024-10-31 10:17:32
版權(quán)與免責聲明
- ①凡本網(wǎng)注明“來源：化工儀器網(wǎng)”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其他方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來源：化工儀器網(wǎng)”。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責任。
- ②本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源（非化工儀器網(wǎng)）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責，不承擔此類作品侵權(quán)行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源，并自負版權(quán)等法律責任。
- ③如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。
