納米建筑單元組裝催化材料研究

本申請?zhí)岢鲞M(jìn)行基于零維和一維氧化物納米結(jié)構(gòu)單元組裝催化材料研究。這一研究將合成高度均一的無機(jī)零維和一維納米尺度單體，然后采用化學(xué)方法將這些單體組織成含有空腔的三維人工納米結(jié)構(gòu)材料，以獲得髙穩(wěn)定性，髙表面積的以及髙活性的催化材料，其孔壁由納米尺度單元化合物組成，可望在較髙的溫度下保持納米尺度化合物的特性，并創(chuàng)造一種可以在納米尺度上控制活性位之間協(xié)同的新材料類型，研究這種協(xié)同效應(yīng)在固體酸堿催化反應(yīng)以及選擇氧化催化反應(yīng)中的作用，可望產(chǎn)生創(chuàng)新型的研究成果。為取得原創(chuàng)性納米技術(shù)作出貢獻(xiàn)。 2100433B

本書依據(jù)作者研究團(tuán)隊(duì)以及國內(nèi)外電催化納米材料的研究進(jìn)展，系統(tǒng)介紹了鉑基和非鉑基氧還原催化劑納米材料、碳基非貴金屬氧還原催化劑納米材料、質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池陽極催化劑納米材料、直接醇類燃料電池陽極電催化納米材料、鋰-空氣電池碳基催化劑納米材料、鋰-空氣電池正極催化劑納米材料、環(huán)境電催化納米材料、光電解水電催化納米材料、生物燃料電池電催化納米材料、微生物制備納米材料的電子傳遞機(jī)制及其應(yīng)用、有機(jī)分子合成電催化納米材料、CO2還原電催化納米材料、水電催化納米材料。

第1章鉑基和非鉑基氧還原催化劑納米材料001

魏子棟（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

1.1　概述 002

1.2　氧還原催化機(jī)理 003

1.3　鉑基催化劑 008

1.3.1　晶面調(diào)控 010

1.3.2　構(gòu)建雙金屬或多金屬體系 012

1.3.3　表面修飾 021

1.3.4　載體增強(qiáng) 025

1.4　非鉑基催化劑 031

1.4.1　Pd基催化劑 031

1.4.2　非貴金屬催化劑 034

1.4.3　非金屬催化劑 038

1.5　總結(jié)與展望 046

參考文獻(xiàn) 046

第2章碳基非貴金屬氧還原催化劑納米材料065

楊曉冬，周志有，陳馳，王宇成，孫世剛

（廈門大學(xué)能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

2.1　概述 066

2.2　碳基非貴金屬氧還原催化劑的發(fā)展歷程 067

2.3　碳基非貴金屬催化劑的制備技術(shù) 068

2.3.1　高溫?zé)峤夥?068

2.3.2　高溫?zé)峤獯呋瘎┑慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 072

2.3.3　非熱解法 078

2.4　碳基非貴金屬催化劑的活性位結(jié)構(gòu)研究 080

2.4.1　碳缺陷活性位 080

2.4.2　氮摻雜碳活性位 081

2.4.3　Fe/N/C活性位 083

2.5　碳基非貴金屬催化劑在燃料電池中的應(yīng)用 089

2.5.1　在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用 090

2.5.2　在陰離子交換膜燃料電池中的應(yīng)用 092

2.5.3　在甲醇燃料電池中的應(yīng)用 093

2.5.4　碳基非貴金屬催化劑的傳質(zhì) 094

2.6　總結(jié)與展望 095

參考文獻(xiàn) 096

第3章質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池陽極催化劑納米材料103

周小春，楊輝（中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，中國科學(xué)院上海高等研究院）

3.1　概述 104

3.2　基本原理和表征方法 105

3.2.1　氫的電氧化原理 105

3.2.2　陽極納米催化劑的表征方法 106

3.3　陽極納米催化劑的主要研究進(jìn)展 110

3.3.1　自增濕催化劑 110

3.3.2　超低載量方法 115

3.3.3　非鉑催化劑 120

3.4　總結(jié)與展望 124

參考文獻(xiàn) 124

第4章直接醇類燃料電池陽極電催化納米材料131

廖世軍（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院）

4.1　概述 132

4.2　直接醇類燃料電池陽極反應(yīng)及其一般機(jī)理 133

4.3　直接甲醇燃料電池陽極催化劑納米材料 135

4.3.1　PtRu二元合金納米粒子催化劑 135

4.3.2　PtRu/氧化物催化劑 138

4.3.3　PtRuX三元催化劑 139

4.4　直接乙醇燃料電池陽極催化劑納米材料 141

4.4.1　單組分貴金屬催化劑 141

4.4.2　雙組分貴金屬催化劑 142

4.4.3　三組分金屬催化劑 145

4.4.4　非貴金屬催化劑體系 146

4.5　其他醇類燃料電池陽極催化劑納米材料 147

4.6　總結(jié)與展望 149

參考文獻(xiàn) 150

第5章鋰-空氣電池碳基催化劑納米材料157

張新波（中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所）

5.1　概述 158

5.1.1　鋰-空氣電池發(fā)展背景 158

5.1.2　鋰-空氣電池的工作原理和分類 159

5.1.3　鋰-空氣電池的基本組成及關(guān)鍵材料 161

5.2　碳電催化納米材料 162

5.2.1　分類及電化學(xué)性能 163

5.2.2　在鋰-空氣電池中的反應(yīng)機(jī)理 169

5.3　碳載金屬/金屬氧化物復(fù)合電催化納米材料 170

5.3.1　制備方法 171

5.3.2　在鋰-空氣電池中的催化機(jī)理及電化學(xué)性能 177

5.3.3　選擇、設(shè)計(jì)與開發(fā) 181

5.4　雜原子摻雜碳基電催化納米材料 183

5.4.1　雜原子摻雜碳基電催化納米材料的制備 183

5.4.2　催化機(jī)理及電化學(xué)性能 184

5.5　總結(jié)與展望 188

參考文獻(xiàn) 188

第6章鋰-空氣電池正極催化劑納米材料193

何平，周豪慎（南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院）

6.1　概述 194

6.1.1　研究背景和基本原理 194

6.1.2　有機(jī)體系 195

6.1.3　組合電解液 199

6.1.4　全固態(tài)電解質(zhì) 202

6.1.5　小結(jié) 203

6.2　碳基納米催化材料 205

6.2.1　多孔碳 205

6.2.2　碳納米線/管 207

6.2.3　石墨烯 209

6.2.4　三維結(jié)構(gòu)碳基材料 211

6.2.5　碳基摻雜材料 213

6.3　貴金屬 215

6.3.1　金、鉑、鈀 215

6.3.2　釕與氧化釕 217

6.3.3　貴金屬基復(fù)合材料 219

6.4　納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物 220

6.4.1　錳氧化物 221

6.4.2　鈷氧化物 222

6.4.3　鎳氧化物 224

6.4.4　復(fù)合氧化物 225

6.5　可溶性催化劑 226

6.5.1　多環(huán)類氧化還原電對 227

6.5.2　碘化物 228

6.5.3　水 229

6.6　總結(jié)與展望 230

參考文獻(xiàn) 230

第7章環(huán)境污染物電催化處理納米材料237

周明華（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）

7.1　概述 238

7.1.1　環(huán)境電化學(xué)的發(fā)展 238

7.1.2　環(huán)境電催化 239

7.1.3　環(huán)境電催化納米材料 240

7.2　陽極氧化 241

7.2.1　概述 241

7.2.2　過程影響因素和特征參數(shù) 244

7.2.3　金屬陽極及其環(huán)境應(yīng)用 247

7.2.4　金屬氧化物陽極及其環(huán)境應(yīng)用 248

7.2.5　碳材料陽極及其環(huán)境應(yīng)用 253

7.3　陰極電化學(xué)還原 256

7.3.1　概述 256

7.3.2　電芬頓 258

7.4　總結(jié)與展望 268

參考文獻(xiàn) 269

第8章光電解水電催化納米材料275

申燕，王鳴魁（武漢光電國家研究中心，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院）

8.1　概述 276

8.1.1　光電解水的原理 278

8.1.2　光電化學(xué)池 279

8.1.3　光電解水效率 280

8.1.4　太陽能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率 281

8.2　半導(dǎo)體光電化學(xué) 282

8.2.1　半導(dǎo)體/液體接觸物理 282

8.2.2　光電解水體系界面能級優(yōu)化 283

8.2.3　光照條件下半導(dǎo)體/液體界面體動力學(xué) 284

8.3　光陰極析氫過程 285

8.3.1　光電解水析氫反應(yīng)機(jī)理 286

8.3.2　光陰極材料 287

8.4　光陽極材料 291

8.4.1　過渡金屬氧化物光陽極材料 291

8.4.2　染料敏化半導(dǎo)體光陽極材料 296

8.4.3　影響光陽極性能的因素 301

8.5　電催化劑對光電極的影響 302

8.5.1　析氫催化劑材料 303

8.5.2　析氧催化劑材料 303

8.5.3　催化劑微納結(jié)構(gòu)對光電極效率的影響 304

8.6　總結(jié)與展望 305

參考文獻(xiàn) 306

第9章生物燃料電池電催化納米材料317

朱俊杰（南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

9.1　概述 318

9.1.1　酶生物燃料電池 319

9.1.2　微生物燃料電池 320

9.2　酶生物燃料電池電催化納米材料 322

9.2.1　碳材料 322

9.2.2　金屬納米粒子 329

9.2.3　納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚合物 331

9.2.4　復(fù)合材料 332

9.3　微生物燃料電池電催化納米材料 339

9.3.1　MFC陽極電催化納米材料 339

9.3.2　MFC陰極電催化納米材料 345

9.4　總結(jié)與展望 349

參考文獻(xiàn) 351

第10章微生物制備納米材料的電子傳遞機(jī)制及其應(yīng)用361

趙峰，吳雪娥，姜艷霞（中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

10.1　概述 362

10.2　胞外電子傳遞 363

10.2.1　直接胞外電子傳遞 363

10.2.2　間接胞外電子傳遞 365

10.3　微生物制備的納米材料 366

10.3.1　納米材料與電子 366

10.3.2　納米材料與熒光 370

10.3.3　納米材料與磁性 373

10.4　微生物電化學(xué)的分析方法 374

10.4.1　循環(huán)伏安和微分脈沖 375

10.4.2　計(jì)時(shí)電流 376

10.4.3　微生物電化學(xué)原位紅外光譜 377

10.4.4　掃描探針顯微技術(shù) 378

10.5　總結(jié)與展望 379

參考文獻(xiàn) 380

第11章有機(jī)分子合成電催化納米材料385

王歡，陸嘉星（華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海市綠色化學(xué)與化工過程綠色化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

11.1　概述 386

11.2　金屬納米材料 388

11.2.1　單金屬納米材料在電催化合成中的應(yīng)用 388

11.2.2　雙金屬納米材料在電催化合成中的應(yīng)用 399

11.3　碳基納米材料 406

11.3.1　硼摻雜金剛石電極在有機(jī)電合成中的應(yīng)用 406

11.3.2　功能化碳電極在有機(jī)電合成中的應(yīng)用 409

11.4　聚合物納米材料 411

11.4.1　聚合物膜在電催化合成中的應(yīng)用 411

11.4.2　負(fù)載金屬（金屬氧化物）/聚合物膜在電催化合成中的應(yīng)用 414

11.4.3　金屬有機(jī)配合物膜在電催化合成中的應(yīng)用 415

11.5　其他新型復(fù)合納米材料 417

11.5.1　生物堿@Ag納米材料在不對稱電催化還原中的應(yīng)用 417

11.5.2　[Co]@Ag納米材料在不對稱電催化羧化C—X中的應(yīng)用 420

11.5.3　負(fù)載Ag分子篩納米材料在電催化還原中的應(yīng)用 422

11.6　總結(jié)與展望 424

參考文獻(xiàn) 425

第12章CO2還原電催化納米材料433

賈法龍（華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院）

12.1　概述 434

12.2　電催化還原CO2的原理 436

12.2.1　水溶液體系中CO2電催化還原 436

12.2.2　非水溶液體系中CO2電催化還原 439

12.2.3　CO2電催化還原的主要影響因素 440

12.3　電催化還原CO2研究方法 441

12.3.1　儀器裝置和產(chǎn)物分析 441

12.3.2　反應(yīng)機(jī)理研究 442

12.4　催化CO2電化學(xué)還原的納米材料 444

12.4.1　銅族納米材料 444

12.4.2　鉑族納米材料 459

12.4.3　其他過渡金屬納米材料 463

12.4.4　p區(qū)部分金屬納米材料 470

12.4.5　金屬氧化物及碳材料 472

12.5　總結(jié)與展望 477

參考文獻(xiàn) 478

第13章水電催化納米材料483

胡吉明，伍廉奎（浙江大學(xué)化學(xué)系）

13.1　概述 484

13.2　析氫電催化納米材料 484

13.2.1　析氫反應(yīng)及其基本反應(yīng)歷程 485

13.2.2　貴金屬析氫反應(yīng)電催化納米材料 491

13.2.3　其他析氫反應(yīng)電催化納米材料 494

13.3　析氧電催化納米材料 503

13.3.1　析氧反應(yīng)的基本特征 504

13.3.2　析氧反應(yīng)電催化活性理論 505

13.3.3　析氧反應(yīng)的電催化機(jī)制 511

13.3.4　鈦基氧化物涂層電極 514

13.3.5　其他電催化析氧納米材料 524

13.4　析氯電催化納米材料 528

13.4.1　析氯反應(yīng)及其基本特征 529

13.4.2　Ti基RuO2納米涂層電極 534

13.4.3　其他析氯反應(yīng)電催化納米材料 539

參考文獻(xiàn) 541

索引 558

本項(xiàng)目著重解決用于固體推進(jìn)劑中超細(xì)金屬粉的氧化問題和納米催化材料的團(tuán)聚及其分散問題，以獲得一種含能量高、催化活性好的納米/微米復(fù)合材料。其制備工藝和理論研究也廣泛適用于其它領(lǐng)域納米材料的分散和性能的改善。本項(xiàng)目的研究可以取代傳統(tǒng)推進(jìn)劑中的非含能催化劑，有助于改善我軍現(xiàn)有武器裝備性能，特別是對提高武器彈藥的能量性能和燃燒性能有十分重大的意義，為研究制備新型的武器彈藥進(jìn)行前瞻性的和基礎(chǔ)性的探索研究。本項(xiàng)目利用納米、微米復(fù)合技術(shù)和膜包覆技術(shù)，首先對微米或亞微米金屬粉進(jìn)行納米膜包覆，對其進(jìn)行保護(hù)；然后再在其外表面復(fù)合上一層納米催化劑粒子，形成核/膜/殼的納米/微米含能催化復(fù)合材料。這種在常溫十分穩(wěn)定的復(fù)合材料在高溫下自身也可以發(fā)生劇烈的反應(yīng)放出大量的熱，當(dāng)加入推進(jìn)劑中后，就可以對體系中某些組分（如高氯酸銨）的熱分解起到十分有效的催化作用。