电催化技术教学课件

电催化技术单击此处添加副标题汇报人：稻小壳目录01电催化技术概述02电催化材料04电催化技术应用05电催化技术挑战06电催化技术研究进展03电催化反应过程电催化技术概述PART01定义与原理通过电极与电解质界面电荷转移加速反应的催化作用电催化定义外加电场下，电极表面修饰物促进电子转移，催化剂本身不变电催化原理发展历程19世纪法拉第提出电解定律，为电催化奠定理论基础。早期探索0120世纪50年代铂催化剂用于燃料电池，60年代Bockris提出“电催化”概念。体系化研究0221世纪单原子催化剂、原位表征技术推动电催化研究走向原子尺度。现代突破03应用领域能源转换储存用于氢气生产、电池及燃料电池制作，助力清洁能源发展环境治理修复高效处理有机无机污染物，推动环保与土壤修复进程绿色材料制备生产金属、高分子等材料，实现高效环保可控生产电催化材料PART02常见电催化剂单原子、MOFs衍生材料，提升催化效率与稳定性新型复合材料RuO₂、NiFeLDH等，在析氧、氮还原中表现优异氧化物与硫化物铂、钌等金属及铂基合金，用于燃料电池等高效催化金属与合金类材料性能对比活性高但成本昂贵，易聚集失活，需降低负载量并提高分散性贵金属催化剂碳基多孔表面积大，黑磷纳米片NRR活性和选择性好非金属催化剂种类多，MoS₂边缘活性高，MXene材料多反应适用过渡金属催化剂010203创新材料研究原子级分散活性位点，Fe-N-C体系替代铂基催化剂，优化氧中间体吸附。单原子催化剂0102氧空位活化惰性键，MOFs衍生碳材料过电位低，稳定性强。缺陷工程材料03多金属协同电子结构优化，NiCo₂(O-S)₄加速多硫化物转化，面积容量高。高熵合金催化剂电催化反应过程PART03反应机理反应物通过电子传递在电极表面形成吸附中间物，经化学或电化学步骤生成产物。电子转移与吸附01电催化反应包含两个以上连续步骤，涉及化学吸附、电子传递及表面化学反应。多步骤连续反应02影响因素分析电极材料决定转化机制，如钛基涂层电极提升电催化活性电极材料影响温度、pH值、电压等条件显著影响电催化反应效率与产物反应条件调控电解质浓度与种类影响导电性及反应路径，如Cl-的间接氧化作用电解质作用反应动力学η为过电位，j为电流密度，b值反映反应机理，如酸性HER中b≈30mV/dec表明Volmer-Heyrovsky机理主导塔菲尔方程解析d带中心理论描述过渡金属d电子与反应物轨道相互作用，ΔG*H≈0时HER活性最佳，eg轨道填充数用于钙钛矿氧化物活性分析活性描述符作用电催化技术应用PART04燃料电池密歇根州立大学与普林斯顿大学重构缺陷铂二硒化物，提升氧还原反应活性与稳定性。催化剂突破新型催化剂DEF-PtSe2特定活性提高1.3倍，质量活性提高2.6倍，循环126000次性能无损。性能提升电解水制氢简介：电催化驱动水分解，制取高纯氢气，助力清洁能源。电解水制氢01电解水制氢为燃料电池汽车、分布式发电提供高纯氢气，推动氢能经济。能源领域应用02用于合成氨、石油化工加氢，提升产品质量，减少碳排放。工业领域应用03有机合成利用电势驱动氧化，实现醇、醛等高效转化为增值化学品，选择性高。电催化氧化阴极阳极协同反应，提升原子利用率，实现高效、绿色有机合成新路径。成对电合成温和条件下还原CO₂等，合成高附加值有机物，如乙醇、乙酸，减少碳排放。电催化还原电催化技术挑战PART05技术难题电极尺寸扩大与操作条件优化面临挑战，部分反应性能未达工业要求。反应可扩展性01电催化技术固定与运营成本过高，需改进催化剂设计及操作条件以降低成本。成本高昂02当前研究多集中催化剂机理设计，对系统工程关注不足，缺乏协同利用研究。研究局限03环境与经济性01环境挑战电催化面临催化剂污染、反应条件苛刻等环境问题02经济挑战催化剂成本高、能耗大，制约电催化技术商业化未来发展趋势探索单原子催化剂、双功能催化剂等新型材料，突破现有性能瓶颈。技术突破方向通过规模化生产降低成本，推动电催化技术在能源、环保领域广泛应用。产业化推进结合光电催化、串联电催化等技术，构建低碳、可持续的能源生产模式。跨学科融合电催化技术研究进展PART06最新研究成果氟离子预嵌入技术使钴基催化剂性能提升，实现工业级应用，显著降低制氢成本。高效制氢催化剂中科院物理所团队研发新型钙钛矿氧化物，实现析氢析氧“一材双效”，稳定运行超500小时。一材双效催化剂中科院团队通过双原子位点精确调控，实现高效合成氨，揭示协同“接力催化”机制。双原子电催化剂研究机构与团队清华李亚栋团队开发高活性铂单原子催化剂，中科大俞书宏团队实现锌空电池超长待机。顶尖团队突破厦大孙世刚团队揭示电化学反应机理，中科院过程所张锁江团队Nature发文突破燃料电池催化剂瓶颈。国际合作典范天大胡文彬团队建成吨级非贵金属催化剂生产线，南开罗锋团队