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用于高效氧还原反应的功能电纺丝纳米纤维基复合材料

来源:兰州新闻信息网作者:府雪兰更新时间:2022-07-22 12:42:05 阅读:

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【摘要】

静电纺纳米纤维由于其简便以及可控的工艺制备过程在电催化(氧还原反应,ORR)领域表现出了独特的应用优势。近日,北京科技大学李从举教授团队综述了纳米纤维基非贵金属材料在ORR中的研究进展。首先,系统介绍了静电纺丝的基本原理、ORR机理以及纳米纤维的制备方法,并讨论了两种生长方式的优缺点。其次,详细综述了金属有机骨架衍生物、单原子催化剂和过渡金属氧化物等非贵金属纳米纤维催化剂在ORR中的最新进展,重点强调了静电纺丝纳米纤维催化剂的组成、形貌和结构对其电化学性能的影响。最后,对纳米纤维材料在电催化领域进一步的发展提出了一些挑战和展望。该综述能够为基于静电纺丝纳米纤维结构的新型电催化剂的设计和开发提供一定的借鉴意义。

【研究背景】   

随着传统化石燃料的快速消耗,能源和环境问题已经成为亟待解决的难题,因此对新型可再生电化学存储和转换系统提出了更高的要求。包括金属-空气电池在内的燃料电池因其高能量密度、良好的安全性和环境友好性而被认为是具有良好应用前景的清洁能源。然而其发展主要受限于缓慢的阴极氧还原反应动力学,往往需要高效的催化剂来加快动力学过程和提高转化效率。因此,发展具有优异催化活性以及廉价的非贵金属催化剂尤为重要。ORR过程主要发生在气/固/液所组成的三相界面,而对于催化剂的设计要求主要有以下几个方面:1)分级的多孔形貌,有助于构筑有序的气体扩散通道;2)高的比表面积,有助于暴露更多的反应活性位点;3)可调节的电子结构,有助于提升本征活性。而纳米纤维因其独特的物理化学性质(可调控的形貌、高的比表面积、多样的组成构成、丰富的孔径、良好的柔韧性等)在ORR中得到了广泛的关注和研究。

【亮点】    
本文主要对静电纺丝的基本原理、ORR机理、纳米纤维制备方法、以及纳米纤维基催化剂等几个方面进行了综述。首先,对静电纺丝原理、聚合物组成、影响参数等进行了详细的介绍。其次,对ORR过程涉及的两电子以及四电子反应进行了总结。然后,对纳米纤维合成方法进行了分类,主要包括混合纺丝法和原位生长法,有利于进一步设计和合成功能化的纳米纤维材料。此外,根据纳米纤维的特征将催化材料分为三类并且进行了总结,包括金属有机骨架(MOF)衍生物、单原子催化剂、以及过渡金属氧化物纳米纤维材料等。通过结合实验和理论计算对纳米纤维材料在ORR中的研究进行了综述。最后,提出了纳米纤维催化剂的发展前景和研究挑战。本文旨在为纳米纤维材料在ORR领域的发展提供简单且全面的归纳总结。
【结论】

在一维材料中,纳米纤维基MOF衍生物、单原子催化剂、以及过渡金属氧化物等电催化材料展现出了独特的应用优势。高的比表面积、丰富的孔隙率、良好的柔韧性,以及优异的电荷传输特性,推动了其在ORR催化领域的发展。尽管如此,一维纳米纤维材料仍然面临着一些挑战。首先,如何合理设计和优化具有特定结构、形貌和孔隙率的一维纳米纤维材料对提高电化学性能有着重要的作用。其次,不同官能团之间的协同机理尚不明晰,例如,氮的类型通常分为石墨氮、吡咯氮、吡啶氮,而每一种氮所起的作用以及他们之间的构效关系有待于进一步研究。因此,通过理论和实验研究,对于深入理解其催化机理以及协同关系具有重要意义。最后,如何平衡好纤维形貌、长径比、电导率、比表面积、孔结构和机械稳定性等各种因素之间的关系对于提高ORR性能至关重要。

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标题:用于高效氧还原反应的功能电纺丝纳米纤维基复合材料

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