金屬催化劑
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-20
金屬催化劑的實(shí)例教程
其中電催化劑是上述可再生能源技術(shù)的核心。然而，金屬(氧化物)基催化劑受到成本限制，也存在包括選擇性低、穩(wěn)定性差、雜質(zhì)中毒以及影響環(huán)境等問題。因此，亟待開發(fā)成本低廉、易得且催化性能與金屬基催化劑相當(dāng)或甚至更好的非金屬基催化劑。
無金屬碳基催化劑(CMFCs)，即包括雜原子(如N/B/O/S/F/P)摻雜的碳納米管、石墨烯、碳點(diǎn)、氮化碳和石墨，作為用于涉及能量轉(zhuǎn)換和儲存過程各種關(guān)鍵反應(yīng)的高效無金屬催化劑吸引了全世界的關(guān)注。最近CMFCs領(lǐng)域取得的巨大突破將使得成本合適且耐用的無金屬催化劑能夠有效地催化能量轉(zhuǎn)換和存儲中涉及的各種關(guān)鍵反應(yīng)，使CMFC在可再生能源市場競爭中超越金屬催化劑成為可能。
【成果簡介】
近日，美國凱斯西儲大學(xué)戴黎明教授(通訊作者)與澳大利亞新南威爾士大學(xué)的合作者對碳基無金屬催化劑領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行了簡要、全面的評述，并在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“Carbon-Based Metal-Free Catalysts for Key Reactions Involved in Energy Conversion and Storage”的綜述。作者重點(diǎn)闡述了CMFCs在可再生能源轉(zhuǎn)化和儲存涉及的各種反應(yīng)中的應(yīng)用，包括氧還原反應(yīng)、析氫反應(yīng)、析氧反應(yīng)、二氧化碳還原反應(yīng)、氮還原反應(yīng)以及雙功能/多功能電催化，并提出了關(guān)于反應(yīng)機(jī)理的關(guān)鍵問題以及控制合成CMFC的設(shè)計(jì)策略。
展開 金屬催化劑具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和高催化活性。大多數(shù)金屬氧化物催化劑是過渡金屬氧化物，具有豐富的價鍵，而且成本低廉。
本文亮點(diǎn)
綜述了近年來釩電池中金屬和金屬氧化物催化劑的研究進(jìn)展。
對金屬和金屬氧化物催化劑進(jìn)行了分類，并研究了它們的催化性能。
分析并比較了不同的催化劑的催化性能和催化機(jī)理。
圖文解析
釩電池碳基電極因其存在電化學(xué)活性低的問題，可采用在電極表面引入催化劑的方法來提高電極的電化學(xué)活性。本文對引入的催化劑從金屬和金屬氧化物兩個方面進(jìn)行了分類，并對其催化機(jī)理和催化性能進(jìn)行了研究。
總結(jié)與展望
發(fā)展低成本、高導(dǎo)電性、高催化活性和高穩(wěn)定性的集成電極。
除了常用的水熱、酸處理等電極改性方法外，發(fā)展一些其他的電極改性方法如微波處理等。
含氧官能團(tuán)可以提高金屬催化劑的穩(wěn)定性，與金屬有協(xié)同作用。可以在引入金屬催化劑的同時引入含氧官能團(tuán)。
展開 基于中試研究基礎(chǔ)，結(jié)合揚(yáng)子石化氣相聚乙烯工業(yè)裝置實(shí)際，制定了茂金屬催化劑的工業(yè)化試生產(chǎn)方案，于2022年3月18日，實(shí)現(xiàn)自制茂金屬催化劑在2號聚乙烯裝置上成功應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)過程平穩(wěn)可控，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到進(jìn)口催化劑水平，產(chǎn)出了合格茂金屬管材產(chǎn)品80余噸。
茂金屬聚乙烯催化劑的成功開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用，有力推動了茂金屬聚乙烯催化劑國產(chǎn)化進(jìn)程，為后續(xù)優(yōu)化催化劑合成工藝、完善制備條件、實(shí)施催化劑工業(yè)化生產(chǎn)、催化劑工業(yè)應(yīng)用，以及開發(fā)高端茂金屬產(chǎn)品等全鏈條貫通打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
-END-
展開 4.1、在堿性燃料電池中
無金屬碳基催化劑是一種非常適合堿性體系的催化劑，與PEMFCs相比，摻雜碳材料在堿性燃料電池中的電流密度和功率密度要高得多。此外，其堿性系統(tǒng)的腐蝕性也更小，這可能會延長燃料電池中管道和雙極板等組件的使用壽命。值得一提的是，盡管在開發(fā)高性能陰離子交換膜（AEM）方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但目前我們?nèi)匀粺o法獲得可與陽離子膜或離子單體相媲美的AEM或陰離子聚合物。
圖十一、堿性燃料電池性能舉例
（a） 以糠醛(FU)和葡萄糖(GU)為原料，采用無金屬催化劑制備的MEAs堿性燃料電池；
（b） 以糠醛為原料的無金屬催化劑的N2吸附等溫線和孔徑分布。
4.2、在質(zhì)子交換膜燃料電池中
雖然碳基無金屬電催化劑顯示出pH依賴的ORR活性，其在酸性電解質(zhì)中通常較低。然而，無金屬催化劑所帶來的顯著的成本節(jié)約及其獨(dú)特耐久性促使其在實(shí)際PEMFC中的應(yīng)用得到了持續(xù)的關(guān)注。
圖十二、無金屬陰極PEMFCs舉例
（a）NPC-4-1100和NPC-4-1100-Zn陰極催化劑的PEMFC性能；
（b）PEMFC中NPC-4-1100-Zn催化劑在0.5 V恒定電壓下的時電流響應(yīng)；
（c） 在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中，在0.5 V下測量的無金屬N-G-CNT+KB和Fe/N/C催化劑的耐久性比較。
【小結(jié)】
綜上所述，作者通過對多孔結(jié)構(gòu)和摻雜構(gòu)型的預(yù)測設(shè)計(jì)和可控構(gòu)建、模型催化劑的機(jī)制理解、實(shí)驗(yàn)與理論的綜合研究以及電池整體性能評價等新出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)。
展開 一、常見非貴金屬HER催化劑簡介
圖1 常用于構(gòu)建電催化劑的元素
上圖展示了常用于構(gòu)建電催化劑的元素。根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì)，大致將這些元素分為三組：①貴金屬鉑(Pt)——目前常見的貴金屬HER電催化劑；②用于構(gòu)建非貴金屬電催化劑的過渡金屬元素，主要包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉬(Mo)和鎢(W)；③用于構(gòu)建非貴金屬電催化劑的非金屬元素，主要包括硼(B)、碳(C)、氮(N)、磷(P)、硫(S)和硒(Se)。截至目前，已用上述十二種非貴金屬元素合成了幾乎所有有效的非貴金屬HER催化劑。
金屬硫化物
功能仿生催化劑的開發(fā)是一個重要的進(jìn)展，為大規(guī)模可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)開辟了道路。盡管自然界存在的固氮酶和氫化酶可以催化析氫反應(yīng)，但是酶基器件難以為高水平的氫氣生產(chǎn)做出重大貢獻(xiàn)。這些精妙的生物催化劑具有出色的催化選擇性，能夠在自然環(huán)境中運(yùn)作，但在極端條件下(如強(qiáng)酸性和堿性介質(zhì))將迅速失活。受到固氮酶和氫化酶的結(jié)構(gòu)和組成啟發(fā)，研究人員利用一系列的金屬硫化物(Mo(W)S2、FeS2、NiS2、CoS2等)作為高效HER電催化劑，這在非貴金屬HER電催化劑領(lǐng)域是一個意義深遠(yuǎn)的成就。近來，研究人員利用電化學(xué)原位XAS譜研究了過渡金屬硫化物NiS2在堿性溶液中電催化析氫的活性位點(diǎn)，加深了在堿性條件下過渡金屬硫化物HER反應(yīng)機(jī)理的理解，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的電催化劑以用于構(gòu)筑全分解水裝置。
圖2 原位表征技術(shù)揭示NiS2電催化析氫的活性位點(diǎn)
金屬硒化物
硒(Se)和硫(S)都是元素周期表VIA族的元素，硫在第三周期，硒在第四周期。因此這兩個元素不僅一些有相似之處，也有不同點(diǎn)。類似的是，它們最外層都有6個電子和相似的氧化數(shù)。元素的最外層電子排布往往決定了這些元素形成的化合物的化學(xué)性質(zhì)，這意味著相對于金屬硫化物，金屬硒化物對HER也有相似的活性。
展開 
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金屬催化劑的最新內(nèi)容
本板式催化劑噴吹模型如圖1所示：催化劑尺寸為460 mm*460 mm*800 mm，節(jié)距為8 mm；耙式吹灰器主管內(nèi)徑80 mm，耙管內(nèi)徑52 mm，噴嘴中間孔徑4 mm，相鄰噴嘴間距65 mm，底部距催化劑表面高度為250 mm。
（a）
（b）
圖1 三維模型
其中：以耙管垂直中心面為對稱面，只顯示模型的一半，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算資源
本文研究了一種采用雙金屬中心催化劑與α,ω-二烯單體在溶液相中合成具有“梯形”支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型聚乙烯，為兼具LDPE型加工性能與LLDPE型力學(xué)性能的材料設(shè)計(jì)提供了新路徑。
01
試驗(yàn)方案
使用亞氨基烯酰胺催化劑與不同用量癸二烯制備的聚合物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（方案1至5），以及常規(guī)癸二烯聚合（方案6）和LDPE（方案7）的對比樣本。
本文研究了一種采用雙金屬中心催化劑與α,ω-二烯單體在溶液相中合成具有“梯形”支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型聚乙烯，為兼具LDPE型加工性能與LLDPE型力學(xué)性能的材料設(shè)計(jì)提供了新路徑。
01
試驗(yàn)方案
使用亞氨基烯酰胺催化劑與不同用量癸二烯制備的聚合物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（方案1至5），以及常規(guī)癸二烯聚合（方案6）和LDPE（方案7）的對比樣本。
某鋼鐵廠SCR脫硝項(xiàng)目中，以其中脫硝主體設(shè)備為研究對象，按照1：1對脫硝設(shè)備建立三維模型，并按要求設(shè)置進(jìn)氣口管道和出氣口管道，進(jìn)口為inlet，出口為outlet。
兩點(diǎn)說明：1.《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定對氣流均布可采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算，但對于判定的標(biāo)準(zhǔn)并無規(guī)定。因此可借鑒我國通用的氣流分布均勻性的評定方法——相對標(biāo)準(zhǔn)偏差法進(jìn)行判定，以下將有介紹。2.由于催化劑基材板厚0.7mm
引 言
燒結(jié)過程中“設(shè)計(jì)”補(bǔ)償變形的能力被視為是實(shí)現(xiàn)金屬粘結(jié)劑噴射成型（MBJ）快速商業(yè)化的關(guān)鍵。針對燒結(jié)過程的仿真分析，Simufact Additive軟件現(xiàn)已推出了MBJ仿真模塊第三個版本，當(dāng)前版本能夠準(zhǔn)確模擬燒結(jié)過程，預(yù)測收縮、塌落度和與摩擦相關(guān)的變形問題，無論是“可變形”支撐器還是“非可變形（陶瓷）”支撐器，均可以通過仿真得到“預(yù)補(bǔ)償”幾何圖形，從而將預(yù)補(bǔ)償模型直接輸入到打印機(jī)中，
關(guān)鍵詞：多物理場耦合；蠕變損傷；不均勻溫度場；裂紋萌生
0 前言
固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell，SOFC)是一種直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有燃料使用靈活、無需貴金屬催化劑以及全固態(tài)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了極大的關(guān)注[1-2]。常見的 SOFC 有平板式、管式和瓦楞式，其中平板式 SOFC 因易于生產(chǎn)制造且具有較高的功率密度而被廣泛研究。
由合成氨裝置送來的CO2氣體（氫氣含量約0.8%），壓力（絕壓，下同）0.105MPa，溫度40℃，純度（體積分?jǐn)?shù)）98.5%，經(jīng)切斷閥、電磁閥和一段入口分離器進(jìn)入壓縮機(jī)低壓缸，經(jīng)一段壓縮，壓力升至0.66MPa，溫度221℃；經(jīng)一段出口冷卻器冷卻后與防腐空氣混合進(jìn)入一段出口分離器，再經(jīng)低壓缸二段壓縮后壓力升至2.43MPa，溫度為176℃；然后進(jìn)入裝有金屬鉑鈀催化劑的脫氫反應(yīng)器脫除氣體中的H2和其他可燃性氣體
目前科研人員致力于研究非貴金屬催化劑，例如過渡金屬硫化物、硒化物以及碳化物，此類方向有望研究出具有較大交換電流密度和較小塔菲爾斜率的催化材料。
，銅選擇性地將CO2轉(zhuǎn)化為甲烷和乙烯等碳?xì)浠衔颷64]．通過DFT計(jì)算，Nie等[65]提出了一系列可能的途徑，用于選擇性地減少銅上的CO2．近十年，對于電催化劑的研究日益豐富，不僅有金屬類催化劑，還有金屬氧化物、金屬有機(jī)框架(metal organic frameworks ，MOFs)、共價有機(jī)框架(covalent organic frameworks，COFs)、有機(jī)金屬，以及石墨烯和缺陷石墨烯
CO 2在電氣和電子領(lǐng)域的利用：已開發(fā)出一種由鎵合金和鈰組成的液態(tài)金屬催化劑，可將 CO 2轉(zhuǎn)化為固體碳/煤薄片，可將其掩埋或用于電子元件 . 發(fā)電和 H 2的產(chǎn)生是通過利用 CO 2在含水鋅-鋁-CO 2系統(tǒng)中自發(fā)溶解形成的酸度實(shí)現(xiàn)的。韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究院 (UNIST) 的研究人員已成功完成CO 2封存。
