基于MOFs结构的‘过渡金属-氮-碳’分级多孔氧还原电催化材料的结构设计及功能调控

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51502013
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    21.0万
  • 负责人：
    窦美玲
  • 依托单位：
    北京化工大学
  • 学科分类：
    E0203.碳素材料与超硬材料
  • 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

One of the key scientific issues in the field of fuel cells is the research and development of high-performance and cost effective non-precious metal electrocatalysts for oxygen reduction. Taking advantage of their intrinsic transition metal-nitrogen coordination (Me-N4) and abundant micropores, this proposal intends to adopt metal-organic frameworks, especially the zeolite imidazolate frameworks (ZIFs), as the precursor to prepare the transition metal-nitrogen-carbon (Me-N-C) catalysts with increased active sites and enhanced mass transport. The structure-controlled synthesis of ZIFs will be first investigated by selecting the central metal and imidazolate ligand to optimize the Me-N4 structure and pore diameter. Then, the pyrolysis mechanism of ZIFs with or without the addition of metal, nitrogen and carbon sources will be studied to establish the controllable formation of the hierarchically porous structure for Me-N-C catalysts. Finally, the effect of pore structure and chemical composition on the activity and electrochemical stability of Me-N-C will be investigated to provide informative conclusions to further improve the oxygen reduction performances.
研究开发高性能、低成本的非贵金属氧还原电催化材料是燃料电池领域迫切需要解决的科学问题。本项目以金属-有机骨架化合物（MOFs）中代表性的一类沸石咪唑酯（ZIFs）作为前驱体，利用其独特的金属-氮配位结构（Me-N4）和较大的微孔比表面积，通过调控热解过程构筑微孔-介孔-大孔的分级多孔过渡金属-氮-碳（Me-N-C）氧还原电催化材料，促进Me-N-C催化性能的提升，推动燃料电池氧还原催化剂的低成本化。项目从ZIFs的制备工艺入手，通过调控金属离子半径和咪唑配体长度，从分子层面实现ZIFs组成和孔道结构的有效调控；以ZIFs为前驱体热解制备分级多孔Me-N-C催化剂，优化热解条件，建立ZIFs构筑分级多孔Me-N-C催化剂的调控方法；通过系统的电化学测试，阐明Me-N-C催化剂的氧还原催化性能影响机制，探究分级多孔Me-N-C催化剂的催化机理，为设计和制备高活性的Me-N-C催化剂提供理论依据

结项摘要

项目旨在开发高性能低成本非贵金属氧还原催化剂，以推动燃料电池关键材料氧还原催化剂的低成本化。项目利用含有过渡金属-氮配位结构（Me-N4）且孔道可调的沸石咪唑酯类金属有机骨架材料（ZIFs）作为前驱体，通过调控热解过程构筑微孔-介孔-大孔的分级多孔过渡金属、氮共掺杂炭电催化材料用于氧还原反应，促进了活性位点形成和高分散分布，提高了催化剂孔道的传质能力，从而实现了催化剂催化性能的提升。项目从ZIFs的制备工艺入手，通过调控金属离子和咪唑配体种类，从分子层面实现了ZIFs组成和孔道结构的有效调控，成功制备了核壳结构的ZIF-8@ZIF-67、多面体形貌的双金属Fe,Co-ZIF以及元素梯度分布的圆柱形Fe,Zn-ZIF；以其为前驱体制备了具有分级孔结构的钴、氮共掺杂炭（Co,N-HCNP）、双活性位点的铁、钴、氮共掺杂炭（Fe,Co,N-CNP）以及Fe-N4活性位高度暴露的铁、氮共掺杂炭（Fe,N-HPCC）催化剂。制备的催化剂表现出优异的电催化性能，在0.1 M KOH电解质中，催化剂半波电位最高达到0.898 V，优于商业化Pt/C 51 mV；在0.1 M HClO4电解质中，催化剂半波电位最高为0.76 V，有望应用于质子交换膜燃料电池。

项目成果

期刊论文数量（5）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（6）
Hydrothermal Synthesis of Highly Dispersed Co3O4 Nanoparticles on Biomass-Derived Nitrogen-Doped Hierarchically Porous Carbon Networks as an Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Evolution Reactions
生物质衍生的氮掺杂多级多孔碳网络上水热合成高度分散的 Co3O4 纳米粒子作为氧还原和演化反应的高效双功能电催化剂
  • DOI：
    10.1021/acsami.7b08533
  • 发表时间：
    2017-09-13
  • 期刊：
    ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
  • 影响因子：
    9.5
  • 作者：
    Guan, Jianli;Zhang, Zhengping;Wang, Feng
  • 通讯作者：
    Wang, Feng
Properties of nanostructured pure β-In2S3 thin films prepared by sulfurization-assisted electrodeposition
硫化辅助电沉积制备的纳米结构纯β-In2S3 薄膜的性能
  • DOI：
    10.1007/s10854-016-6161-2
  • 发表时间：
    2017-03-01
  • 期刊：
    JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-MATERIALS IN ELECTRONICS
  • 影响因子：
    2.8
  • 作者：
    Liu, Meng;Li, Zhilin;Wang, Feng
  • 通讯作者：
    Wang, Feng

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其他文献

质子交换膜燃料电池燃料饥饿现象
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    --
  • 期刊：
    电源技术
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    窦美玲;侯明;衣宝廉;邵志刚;燕希强;梁栋
  • 通讯作者：
    梁栋

其他文献

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p-区金属原子级掺杂二维磷烯及其电子效应对电催化氮还原促进机制
  • 批准号：
    52371209
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  • 项目类别：
    面上项目

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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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