铁在催化活性位中的作用 - FeN/C与CNx的活性位结构对氧还原活性和稳定性的影响研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21506041
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0809.光化学与电化学工程
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Non-precious metal catalysts (NPMCs) have attracted great attention due to their low cost and high activity toward oxygen reduction reaction (ORR). Recent studies showed FeN/C catalysts have high initial ORR activity close to the level of platinum based catalysts, However, it demonstrated poor durability. In parallel, CNx showed good durability but poor initial activity. These two types of catalysts have different active site structure and the role of Fe in active sites is the key parameter to find the differences between FeN/C and CNx, which the key factor to prepare ORR catalysts with high activity and stability. In this project, we will design and prepare NPMCs with high activity and durability for ORR in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The proposed work will undertake an investigation of the nature of active sites, and the degradation mechanism for ORR in NPMCs using fundamental approaches based on catalysis and electrochemistry. The main objective is arriving at a molecular level understanding of the electrocatalytic phenomena involved in the ORR over NPMCs. The nature of the active sites and the ways to create these active sites for ORR will be investigated in an effort to control electrocatalytic properties by molecular tailoring of the catalyst nanostructure and its surface moieties. Catalysts will be characterized using an array of techniques to acquire information about their physical characteristics (surface area, pore size distribution, particle diameter, crystal structure, crystal plane exposure, defects, etc.), and structural and molecular characteristics. Activity and durability measurements will be performed using kinds of electrochemical techniques. Experimental work will be closely coupled with modeling studies to provide a molecular-level understanding of the factors that contribute to the activity and durability in NPMCs for ORR. The practical relevance of the works in this project lies in the need for developing NPMCs for ORR in PEMFCs and the long-term objectives include building a knowledge base that would facilitate the production of active, stable and inexpensive cathode electrocatalysts that would realize the wide-spread application of fuel cells for energy generation.
低价、高效的氧还原(ORR)非贵金属催化剂(NPMCs)是质子交换膜燃料电池研究的热点。FeN/C已在活性上取得突破,但稳定性仍是难点;CNx有较好的稳定性但活性较差。这两类催化剂的催化活性位有不同结构,铁在其中的作用是解开催化剂ORR活性与稳定性差异的关键。项目将在制备FeN/C与CNx催化剂的基础上,对催化剂各组分前躯体及制备方法进行考察,优化制备方法;利用电化学方法测试催化剂的ORR活性和稳定性,分析其ORR动力学特性;利用探针分子或毒物分子(CO,氰化物,硫化物等)研究活性位中铁的价态和存在形态;利用物性和光谱表征方法(如TGA, BET, XRD, XPS, TEM, Mossbauer谱等)对催化剂的结构进行表征;结合电化学与物性和光谱表征结果,探索研究催化剂中催化活性位的组成、结构与活性、稳定性之间的关系,为高稳定、高活性的NPMCs的设计制备提供理论指导。

结项摘要

非贵金属催化剂(NPMCs)是目前质子交换膜燃料电池研究的热点之一,研究催化剂前驱体的组成及制备过程对获得高活性、高稳定性的氧还原(ORR)催化剂至关重要。项目针对NPMCs前驱体中氮源、铁源、碳载体、氮源含量、铁含量以及热处理条件等对催化剂ORR的性能影响进行了系统研究。使用比表面积和孔径分布测试(BET),热重分析(TGA),透射电子显微镜(TEM),X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)等方法对催化剂及催化剂前驱体的结构及物性等进行表征,探索催化剂结构与氧还原性能之间的关系。主要结果如下:.1. 催化剂前驱体中氮的种类、含量以及铁源中铁的价态对在热解过程中形成的催化剂形貌、粒径、比表面积及表面氮元素含量等有着较明显的影响,当前驱体中1,10-菲啰啉(phen)与碳载体(BP)的质量比为20/80时,所得催化剂有着较高的ORR活性。催化剂的比表面积与孔结构、催化剂表面氮元素的含量等是影响催化剂ORR活性的重要因素。前驱体中氮源的含量及铁的不同的价电子结构及配体单元等对热解过程中催化剂氧还原活性位的形成有显著影响。.2. 载体的比表面积、孔结构等显著影响FeN/C催化剂的ORR活性。氨气气氛、900℃条件下对催化剂进行二次热处理可提高催化剂的ORR活性。.3.利用电化学快速扫描方法初步探索了二次热处理前后催化剂的稳定性,催化剂粒径的增大、表面氮元素含量的降低等因素是催化剂稳定性下降的可能原因。.4.以自制沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs),1,10菲啰啉,硫酸亚铁为催化剂前驱体组分制备得到的FeN/ZIF催化剂在酸性及碱性环境中表现出明显优于商品Pt/C催化剂的ORR活性。可归因于ZIFs特有的超高的比表面积、不同孔径分布和有序的多孔结构,易于实现非金属或金属元素的掺杂。进一步的研究正在进行中。.综合上述结果,本项目研究为研制高活性、高稳定性的NPMCs奠定了较为坚实的基础,同时对NPMCs催化活性位的研究提供了重要的线索和依据。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(3)
专利数量(0)
A CeO2 modified phenylenediamine-based Fe/N/C with enhanced durability/stability as non-precious metal catalyst for oxygen reduction reaction
CeO2 改性苯二胺基 Fe/N/C,作为氧还原反应的非贵金属催化剂,具有增强的耐用性/稳定性
  • DOI:
    10.1016/j.elecom.2018.01.011
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Electrochemistry Communications
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Wei Houwei;Su Xiaogang;Liu Jianguo;Tian Juan;Wang Zhongwei;Sun Kui;Rui Zhiyan;Yang Weiwei;Zou Zhigang
  • 通讯作者:
    Zou Zhigang
前驱体中N含量对FeN/C催化剂氧还原活性的影响研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    电化学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨智;沈亚云;周娥;魏成玲;秦好丽;田娟
  • 通讯作者:
    田娟

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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