诺奖门生-催化大牛丨Peter Strasser教授课题组2019年研究成果集锦
微著 催化计 2020-02-12

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本文由纳米人催化计编辑部联合发布

催化计(ID:icat2019)

 

纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是柏林工业大学Peter Strasser教授。

 

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Peter Strasser教授此前的研究领域主要集中在PtM(M=Cu, Ni, Co)纳米合金在酸性溶液中去合金行为对ORR性能的影响;研究不同纳米结构对OER和CO2RR等电催化反应的影响规律;设计制备新型催化剂和发现新型催化路径;利用高端表征设计深入研究电催化反应机理等领域

 

下面,我们简要总结了Peter Strasser教授课题组2019年部分研究成果,供大家交流学习。

1)由于相关论文数量较多,本文仅限于通讯作者文章(不包括序言、短篇评述等),以online时间为准。

2)由于学术有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。

3)由于篇幅限制,部分成果未列入编号,仅以发表截图展示。

 

以下分为四个方面展开:

Part Ⅰ 电催化CO2还原

Part Ⅱ 燃料电池ORR催化剂

Part Ⅲ 其他电催化

Part Ⅳ 综述

 

Part Ⅰ 电催化CO2还原

 

1. 在Cu和Cu串联电催化剂上电还原CO2/CO共进料过程中提高乙烯收率的反应机理| Nat. Nanotech.

与提高能源效率和选择性的挑战不同,不纯或故意混合的CO2原料对直接电化学CO2还原反应(CO2RR)的催化反应活性的动力学影响研究还很少。鉴于工业CO2进料经常被CO污染,因此有必要在CO2/CO共进料条件下对CO2RR进行更深入的研究。近日,柏林工业大学Peter Strasser等报道了基于铜的纳米催化剂上的CO2/CO共进料的CO2RR反应性的机理研究。动力学同位素标记实验(在具有毫秒级时间分辨率的操作差分电化学质谱毛细管流动池中进行)表明,C2H4的产量出乎意料地提高,通过交叉偶联的12CO2-13CO反应路径增加了近50%的产率。实验表明,在反应物特异性位点的反应表面上,CO2和CO分子之间不存在位点竞争。金属/非金属掺杂Cu/Ni-N的碳串联催化剂证明了在CO2消耗时持续局部界面CO分压的实际意义。该工作在共同进料条件下改善了C2产物形成的机理,使不纯的CO2/CO进料用于H2O/CO2电解槽成为了可能。

 

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Xingli Wang, et al. Mechanistic reaction pathways of enhanced ethylene yields during electroreduction of CO2–CO co-feeds on Cu and Cu-tandem electrocatalysts. Nat. Nanotech., 2019.

DOI: 10.1038/s41565-019-0551-6

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0551-6

 

2. 工业电流密度下固体镍-氮-碳催化剂高效催化CO2还原CO |EES

在电解槽设备中电化学CO2还原(CO2RR)合成纯CO流的反应是近期最有可能在聚合物工业中商业化和应用的过程。然而,在碱性条件下,在银、金等贵金属(PGM)催化剂上电催化CO2还原成CO,成本高昂的问题限制了其广泛应用。近日,德国柏林工业大学的Peter Strasser等人合作提出了一种有趣的替代方法,一种非贵金属Ni和氮掺杂多孔碳催化剂(Ni-N-C),其催化性能可与工业电解条件下最先进的电催化剂相媲美或超过后者。他们从小型的二氧化碳饱和液体电解质H-池筛选试验开始,然后转移到大型的二氧化碳电解槽,催化剂被组装到气体扩散电极(GDEs)中以创建一个反应三相界面。他们将Ni-N-C催化剂的法拉第CO产率和CO偏电流密度与Ag催化剂进行了比较,在工业电流密度达700 mA/cm2的情况下进行了长时间的电解试验。Ni-N-C电极被证明可以提供200 mA/cm2以上的CO分电流密度,并在20小时内(200 mA/cm2)提供85%的稳定的faradaic CO效率。基于密度泛函理论的催化反应途径的计算为Ag和M-N-C催化剂的选择性趋势提供分子机制基础,N-配位金属离子、Ni-Nx是CO形成催化活性位点的关键。除了具有成本低的优势外,Ni-N-C粉末催化剂可以在酸性、中性和碱性条件下均可以适用。该工作证明了Ni-N-C和可能的M-N-C材料在CO2电催化还原合成CO反应中具有取代PGM催化剂的巨大潜力。

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Tim Möller, et al. Efficient CO2 to CO electrolysis on solid Ni–N–C catalysts at industrial current densities. Energy & Environmental Science

DOI: 10.1039/c8ee02662a

 

Part Ⅱ 燃料电池催化剂

 

3. 高功率低Pt负载质子交换膜燃料电池的多孔碳负载催化剂层中的离聚物分布控制| Nat. Mater.

降低质子交换膜燃料电池的阴极中Pt含量是非常重要的。但是,降低阴极电极的Pt负载会导致高电压损耗,这些损耗主要来源于氧气通过Pt-离子聚合物界面之间的传质阻力。近日,柏林工业大学Peter Strasser,宝马集团Alin Orfanidi等合作,报道了一种新的Pt催化剂/载体设计,大大降低了局部氧相关的传质阻力。使用具有特定孔隙率的化学改性的碳载体可以控制Pt纳米颗粒在载体颗粒的内外表面上的沉积。这使得离聚物在高表面积碳载体上空前的均匀覆盖,特别是在干燥操作条件下。制备出来的催化剂除了在电压循环下具有高稳定性外,还具有高的燃料电池功率密度。由于离聚物和碳载体上的N基团之间存在库仑相互作用,因此可以确保离聚物均匀分布和可重复性。

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Sebastian Ott, et al. Ionomer distribution control in porous carbon-supported catalyst layers for high-power and low Pt-loaded proton exchange membrane fuel cells. Nat. Mater.2019

DOI: 10.1038/s41563-019-0487-0

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0487-0

 

4. 脱合金PtNi-核-壳纳米催化剂显著降低DMFCs中铂用量| ACS Catalysis

直接甲醇燃料电池(DMFCs)使用甲醇作为液体燃料,具有高能量密度(4.33 kWh/l)、运输储存方便的优势,是一种非常具有应用前景的燃料电池。然后催化甲醇氧化需要大量Pt作为氧还原催化剂(ORR),因此其成本仍然过高。铂镍核壳型催化剂是改进氢燃料电池氧还原动力学的理想催化剂。近日,Andreas Glüsen和Peter Strasser等人合作研究了DMFC阴极,DMFC阴极中必须同时发生氧还原和甲醇氧化反应。尽管人们做了许多努力来克服这些问题,但DMFC阴极仍然需要大量的铂。在超过3000个工作小时的测量中,核-壳型催化剂的性能显著提高,达到了与5倍于商业铂催化剂的性能相似的效果。虽然之前已经对催化剂降解行为进行了深入的研究,但该工作证明了核-壳型催化剂在DMFC阴极环境中具有自我保护机制,而且长时间的操作实际上对于性能和稳定性是有利的,因为在PtNi核心上形成了独特的富含Pt的外壳。而且,他们还利用过渡电子显微镜对催化剂进行了分析,研究了在核-壳型催化剂活化过程中催化剂结构的变化。


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Andreas Glüsen, et al. Dealloyed PtNi-Core–Shell Nanocatalysts Enable Significant Lowering of Pt Electrode Content in Direct Methanol Fuel Cells. ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.8b04883

 

5. Mo掺杂调控PtNiMo八面体纳米颗粒表面Ni组分提高氧还原反应活性| Nano Lett.

贵金属Pt催化剂的高成本和低储量丰度是制约燃料电池广泛应用的一个重要因素,因此在保证催化剂性能的前提下,降低Pt用量进而降低成本势在必行,而设计合成低Pt含量的Pt合金用于替代传统的Pt催化剂是研究人员非常感兴趣的方向之一。近日,柏林工业大学Peter Strasser教授团队制备了Mo掺杂八面体PtNiMo纳米颗粒催化剂,研究发现,Mo优先占据了各向异性八面体PtNi粒子的富Pt边缘和顶点,Mo掺杂可以调控八面体表面上Ni的含量,进而提高催化剂的电催化活性,在MEA单燃料电池试验中,在0.9 Vcell下,铂的持续质量活度为0.45 A/mgPt,并且具有优异的循环稳定性。该工作为设计提高Pt合金纳米颗粒催化剂的活性和稳定性提供了一种新的思路。

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F. Dionigi, et al. Controlling Near-Surface Ni Composition in Octahedral PtNi(Mo) Nanoparticles by Mo Doping for a Highly Active Oxygen Reduction Reaction Catalyst. Nano Lett., 2019.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02116

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02116

 

6. 碳负载八面体Pt-Ni合金燃料电池催化剂在原位电化学液体池中的活化和降解的实时成像|EES

碳载体上八面形Pt-Ni合金纳米粒子对氧还原反应具有非常优异的电催化活性,是一种非常具有潜力的低温燃料电池阴极催化剂。虽然八面体形状赋予了催化剂优越的活性,但由于八面体形状易变化,导致整体催化剂降解的结构动力学在很大程度上是未知的,因此目前形状催化剂在燃料电池装置中难以得到实际应用。近日,墨西哥国立自治大学的Ana Sofia Varela和柏林工业大学的Peter Strasser等人合作,使用原位干式电化学液体池,研究了碳负载的Pt-Ni合金催化剂在循环和启动/关闭条件下的降解路径,可以跟踪观察到催化剂在几秒钟内发生的变化。因此,可以精确地把电化学势与催化剂的微观结构反应联系起来。通过观察纳米催化剂结构的变化,并研究工作条件下纳米催化剂的溶解和再沉积过程发现,碳载体运动、颗粒运动和颗粒聚结是电位循环的主要微观结构响应,并保持在碳腐蚀发生的区域。尽管从原位DEMS结果可以看出,在高电位保持和突然电位变化期间,催化剂的变化比循环电位扫描期间更为严重,但两者都发生了碳腐蚀。此外,颗粒在碳载体上的附着程度不同,说明颗粒与碳载体之间存在一定的相互作用强度分布,因此需要对形状颗粒的相互作用强度进行优化。该工作为燃料电池运行过程中纳米催化剂的基本结构动力学提供了新的理解,并强调了需要更好的催化剂载体锚定和形态,以使这些高活性的形状催化剂在PEM燃料电池应用中充分发挥作用。

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Vera Beermann, et al. Real-time imaging of activation and degradation of carbon supported octahedral Pt–Ni alloy fuel cell catalysts at the nanoscale using in situ electrochemical liquid cell STEM. Energy & Environmental Science, 2019.

DOI: 10.1039/c9ee01185d

 

Part Ⅲ 其他电催化

 

7. 单原子金属-氮-碳位点电化学产H2O2的活性选择性趋势| JACS

具有原子级分散的金属-N掺杂碳材料(M-N-C)是一种非常具有潜力的电催化材料。然而,人们对M-N-C材料的两电子ORR生成H2O2电催化活性的机理仍然了解不够,而且催化剂的选择性和稳定性有待进一步提高。因此,开发高效、长寿命的非贵金属催化剂用于催化ORR生成H2O2仍然是一个巨大的挑战。有鉴于此,柏林工业大学Peter Strasser教授、蒙彼利埃大学Frédéric Jaouen教授和哥本哈根大学Jan Rossmeisl教授合作,以ZIF-8和1,10-邻菲罗啉分别为碳源和氮源,以相应的过渡金属醋酸盐作为金属源制备了一系列M-N-C催化剂(M=Mn、Fe、Co、Ni和Cu),它们之间唯一显著的区别是在M-NX中金属阳离子中心的催化活性,采用旋转圆盘圆环电极(RRDE)和旋转圆盘电极(RDE)装置分别研究了M-N-C催化剂对生成H2O2的活性和选择性以及H2O2还原反应(H2O2RR)的性能,并在带有Co-N-C阴极层的微流池电解槽反应器中进行了实验室规模的H2O2生产试验。电化学测试表明Co-N-C具有好的ORR活性、对H2O2有最高的选择性和低的还原性。这使得它成为最好的生产H2O2的M-N-C催化剂。相反,Fe-N-C具有最高的ORR活性,但是对H2O2的选择性很低。用密度泛函理论进一步分析了M-N-C材料的活性选择性趋势,为四电子和二电子ORR的实验火山趋势图提供了分子尺度的理解。在靠近火山顶部的Co-N-C催化剂上,HO*中间体的预测结合能有利于双电子的ORR。在一个微型流动电解池中展示了Co-N-C催化剂的H2O2工业生产效率,在电流密度为50mA/cm2的条件下,其产量高达4.33 mol gcatalyst-1h-1

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Yanyan Sun, et al. Activity-selectivity trends in the electrochemical production of hydrogen peroxide over single site metal-nitrogen-carbon catalysts, J. Am. Chem. Soc., 2019.

DOI:10.1021/jacs.9b05576

 

8. 氮掺杂石墨烯上的平面碳晶格缺陷调节ORR合成H2O2性能|ACS Catalysis

碳基材料被认为是电化学氧还原反应(ORR)生成过氧化氢(H2O2)的有效催化剂。然而,有关平面碳晶格缺陷对ORR催化活性和选择性影响的研究较少。近日,柏林自由大学的Siegfried Eigler和柏林工业大学的Peter Strasser等人合作,通过H2O2水热处理制氧功能化石墨烯(oxo-G)和氧化石墨烯(GO)制备了石墨烯前体。统计拉曼光谱(SRS)分析表明,在oxo-G、oxo-G/H2O2、GO、GO/H2O2中,平面内碳晶格缺陷密度按顺序逐渐增加。此外,通过对石墨烯前体的氢氧化铵水热处理,制备了氮掺杂石墨烯材料。旋转环盘电极(RRDE)结果表明,在0.1 M KOH中,具有最低平面内碳晶格缺陷的氧基石墨烯具有最高的H2O2选择性,可以高达>82%。此外,在0.2 VRHE的H-cell中,H2O2的产率为224.8 mmol gcatalyst-1 h-1,法拉第效率为>43.6%。该工作为设计和合成用于H2O2生产的碳基电催化剂提供了新的思路。

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Lei Han, et al. In-Plane Carbon Lattice-Defect Regulating Electrochemical Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide Production over Nitrogen-Doped Graphene. ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.8b03734

 

9. 通过压应变调控单原子Ru的电子结构,促进酸性环境下的水氧化催化|Nat. Cat.

单原子贵金属催化剂具有良好的应用前景,但对其活性和稳定性的控制仍是一个具有挑战性的课题。有鉴于此,中国科技大学的吴宇恩教授和李微雪教授、Peter Strasser、李亚栋院士等人通过压缩应变将原子级分散的Ru负载到金属载体上,可以极大地促进电催化析氧反应(OER),并降低在酸性电解质中钌基电催化剂的降解。通过连续的酸刻蚀和电化学浸出实验,成功制备了一系列单原子Ru负载的PtCu催化剂,发现OER活性与PtCu合金晶格常数之间呈现火山型曲线关系。其中活性最好的催化剂,Ru1-Pt3Cu,在电流密度为10 mA cm - 2的条件下,呈现出90 mV的低过电位,比商业化的RuO2催化剂使用寿命长了一个数量级。理论研究表明,Pt表面的应力能够影响Ru原子的电子结构,进而实现抗过氧化和溶解。

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Yancai Yao, et al. Engineering the electronic structure of single atom Ru sites via compressive strain boosts acidic water oxidation electrocatalysis. Nat. Catal., 2019.

DOI: 10.1038/s41929-019-0246-2

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0246-2

 

Part Ⅴ 综述

 

10. 海水直接电催化分解的机遇与挑战|ACS Energy Letters

基于化石燃料能源结构引起的能源短缺和不断增加的环境污染,使得开发新型清洁可再生的能源储存和转换系统迫在眉睫。现有电解水的技术大都基于纯水,而超过95%的地球水资源——海水少有关注。地球上浩瀚的海洋为人类提供了丰富的水资源,如果能利用太阳能、风能等可再生能源发电,直接将海水通过电催化分解,就可以制备大量清洁燃料氢气,有助于缓解甚至解决目前的环境问题和能源问题。炎热,沿海,超干旱地区由于具有强烈的太阳辐射和强大的离岸风,因此是使用风力涡轮机或光电设备生产可再生电力的理想地点。由于有充足的海水资源和稀缺的淡水资源,在这些地区使用直接和选择性电解将海水分解成分子氢和分子氧成为一项潜在的非常具有吸引力的技术。而且水裂解反应作为一系列重要的能源转换技术(例如氢氧燃料电池、金属-空气电池和电解池)的核心,它的发展对于缓解能源危机具有重要意义。近日,柏林工业大学的Peter Strasser教授等人综述了海水直接电催化分解的机遇与挑战,他们认为海水直接电催化分解的关键挑战包括阳极氯化学和析氧反应(OER)之间的竞争,而且设计开发低成本、高活性和长寿命的选择性OER和析氢反应(HER)电催化剂,直接用于海水电解槽也是一项关键的挑战。他们展望了直接海水电解与氢燃料电池技术(可逆海水电解)相结合的发展前景,探讨了其作为能量转换-淡水生产联合技术的适用性。该工作对于促进海水直接电催化分解技术的发展具有重要的意义。

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Sören Dresp, et al. Direct Electrolytic Splitting of Seawater: Opportunities and Challenges. ACS Energy Letters, 2019.

DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00220

 

11. 金属氮掺杂碳催化剂上催化CO2还原的研究进展|ACS Catalysis

电化学CO2还原反应(CO2RR)是一种非常具有潜力的将废弃CO2转化为化工原料或合成燃料的技术。然而,这一进程的技术可行性取决于能否找到经济和有效的催化剂。最近,含有少量的氮和过渡金属的碳基固体催化剂材料(MNC)具有选择性和低成本的优势,已成为一种替代贵金属催化剂的直接电化学还原二氧化碳催化剂。而且,目前已经有利用含氮和过渡金属的碳基固体催化剂电催化CO2还原制备甲酸和甲烷等产品的报道。近日,墨西哥国立自治大学的Ana Sofia Varela和柏林工业大学的Peter Strasser等人合作综述了金属氮掺杂碳催化剂上催化CO2还原的研究进展,他们重点讨论了二氧化碳还原催化剂的最新进展,从该角度讨论了MNC对CO2RR催化性能的不同影响因素。他们专注于密度泛函理论指导下的实验研究,旨在阐明控制这类材料活性和选择性的关键实验参数和分子描述符。最后他们总结了金属氮掺杂碳催化剂催化CO2还原的挑战,并对未来的研究进行了展望。该工作有利于促进金属氮掺杂碳催化剂催化CO2还原领域的进一步发展。

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Ana Sofia Varela, et al. Electrochemical Reduction of CO2 on Metal-Nitrogen-Doped Carbon Catalysts. ACS Catalysis, 2019.

DOI: 10.1021/acscatal.9b01405

 

除此之外,Peter Strasser教授课题组2019年在电催化CO2还原/析氧反应/氧还原反应等方面还发表了一系列重要成果,由于内容较多,在此不一一列出。感兴趣的读者可前往Peter Strasser教授课题组网站学习。

 

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课题组网站:

http://www.technischechemie.tuberlin.de/menue/about_us/univ_prof_dr_p_strasser/parameter/en/

 

作者简介

Peter Stasser,柏林工业大学教授,H-index: 72,目前,已在Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Communications等高水平期刊上发表260多篇论文,申请专利16份,出版专著6本,是公认的电催化领域大牛。1991-1992年于美国斯坦福大学学习,师从J.Ross教授;1992-1993年于意大利比萨大学学习,师从F.Calderazzo教授;1988-1995年于德国图宾根大学学习,获得硕士学位;1995-1999年于德国柏林马克斯普朗克学会弗里茨哈伯研究所获得博士学位,师从Gerhard Ertl教授(2007年诺贝尔化学奖获得者),主要研究物理化学、催化和电催化;1996-1997年于日本横滨索尼公司作为前沿材料科学实验室访问科学家;2000-2001年于加利福尼亚州圣克拉拉Symyx Technologies进行博士后研究;2001-2004年担任Symyx Technologies高级职员科学家/组长-电子材料组/多相催化组;2004-2007年于休斯顿大学化学工程系担任化工副教授;2007年-至今,德国柏林工业大学化学系化学工程系,化学与化学工程系主任教授,电化学催化、能源和材料科学实验室主任。

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(注:以上简介及文中海报整理自网络及Peter Strasser教授课题组网站)

 

 


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