非贵双金属纳米结构材料作为高效的氢气氧化和析出催化剂

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21606142
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0803.反应工程
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Fuel cells which convert the chemical energy of hydrogen to electricity, and electrochemical water splitting which produces CO2-free hydrogen, are considered as two of the most important technologies for the realization of “hydrogen economy”. However, the large-scale application of these two technologies are currently limited due to their heavy reliance on Pt and other precious metals as electrocatalysts. To reduce the high cost, much research efforts were devoted on switching their operation conditions from acid to base so that many non-precious element candidates could be favored by thermodynamics. As to the cathode side of fuel cells where oxygen reduction occurs and the anode side of electrochemical water splitting where oxygen evolution occurs, breakthrough non-precious electrocatalysts were successfully developed in the past decade. However, electrocatalysts for the anode side of fuel cell where hydrogen oxidation occurs and the cathode side of electrochemical water splitting where its reverse reaction, hydrogen evolution occurs were still in lack of significant improvement. The main goal of present proposal is to develop non-precious bimetallic catalysts for HOR/HER in alkaline condition with activity close to that of Pt. The key to success is to create a beneficial synergy effect between two types of metal atoms achieving an optimal surface electronic structure for HOR/HER. Highly active bimetallic surface will be identified from a combination/interplay of theoretical calculation and experimental modelling study, based on which high-performance catalysts with advanced nanostructures will be designed and characterized for practical application. The proposed research is also believed to provide new design principles of bimetallic catalysts for other important reactions such as CO2 reduction and biomass conversion.
作为氢能源转化的燃料电池和氢能源绿色制备的电解水工艺是实现未来“氢经济”两个重要技术手段。而这两项技术对与Pt金属作为催化剂的大量需求则是制约它们被大规模应用的最重要原因之一。为了使用非贵材料代替Pt以及其他贵金属催化剂,近年来有大量的学术研究尝试将这两项技术从酸性环境转换到碱性环境以获得热力学上的稳定性,并且已在燃料电池的正极氧还原和电解水制氢的负极氧析出催化上获得了突破性的进展。然而遗憾的是,在使用非贵材料催化碱性环境下燃料电池的负极氢气氧化和电解水制氢正极氢气析出这一对互逆反应仍然鲜有大的进展。针对现状况,本课题拟设计非贵双金属催化剂,利用原子间的有益协同效应调整表面电子结构并获得在碱性环境中与Pt相接近且稳定的催化性能。课题研究将采用理论计算和实验模型之间的动态交互作用构建并筛选双金属表面,通过纳米结构设计获得最终可实际应用的高性能催化材料,并为催化剂的产业化升级作研究准备。

结项摘要

对Pt金属催化剂的大量需求是制约氢能源转化的燃料电池和氢能源绿色制备的电解水这两项工艺被大规模应用的最重要原因之一。为了使用非Pt金属催化剂,近年来有大量的学术研究尝试将这两项技术从酸性环境转换到碱性环境以获得热力学上的稳定性,并且已在燃料电池的正极氧还原和电解水制氢的负极氧析出催化上获得了突破性的进展。本项目针对在使用非Pt金属材料催化碱性环境下燃料电池的负极氢气氧化和电解水制氢正极氢气析出这一对互逆反应仍然鲜有大的进展这一状况,设计并建立了考虑溶剂和电极电势的电化学计算模型,探究了金属及双金属表面氢气析出和氧化反应的机理,设计新型的反应方式、筛选了新型的双金属电催化表面,最后制备了纳米双金属催化材料,在实际反应中进行电催化性能的表征和评价。项目执行期间发表SCI论文7篇,培养博士研究生3名,硕士研究生1名。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Computational and experimental demonstrations of one-pot tandem catalysis for electrochemical carbon dioxide reduction to methane
电化学二氧化碳还原成甲烷的一锅串联催化的计算和实验演示
  • DOI:
    10.1038/s41467-019-11292-9
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Nature Communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Zhang Haochen;Chang Xiaoxia;Chen Jingguang G;Goddard William A III;Xu Bingjun;Cheng Mu Jeng;Lu Qi
  • 通讯作者:
    Lu Qi
Effectively Increased Efficiency for Electroreduction of Carbon Monoxide Using Supported Polycrystalline Copper Powder Electrocatalysts
使用负载型多晶铜粉电催化剂有效提高一氧化碳电还原效率
  • DOI:
    10.1021/acscatal.9b00099
  • 发表时间:
    2019-06-01
  • 期刊:
    ACS CATALYSIS
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Li, Jing;Chang, Kuan;Lu, Qi
  • 通讯作者:
    Lu, Qi
Grand Canonical Quantum Mechanical Study of the Effect of the Electrode Potential on N-Heterocyclic Carbene Adsorption on Au Surfaces
电极电位对金表面N-杂环卡宾吸附影响的大规范量子力学研究
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.7b07866
  • 发表时间:
    2017-10
  • 期刊:
    Journal of Physical Chemistry C
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Chang Kuan;Chen Jingguang G.;Lu Qi;Cheng Mu-Jeng
  • 通讯作者:
    Cheng Mu-Jeng
The importance of grand-canonical quantum mechanical methods to describe the effect of electrode potential on the stability of intermediates involved in both electrochemical CO2 reduction and hydrogen evolution
大规范量子力学方法在描述电极电势对参与电化学 CO2 还原和析氢的中间体稳定性影响方面的重要性
  • DOI:
    10.1039/c7cp08153g
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Physical Chemistry Chemical Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Zhang Haochen;Goddard William A. II;Lu Qi;Cheng Mu-Jeng
  • 通讯作者:
    Cheng Mu-Jeng
Constant Electrode Potential Quantum Mechanical Study of CO2 Electrochemical Reduction Catalyzed by N-Doped Graphene
N掺杂石墨烯催化CO2电化学还原的恒定电极电位量子力学研究
  • DOI:
    10.1021/acscatal.9b01318
  • 发表时间:
    2019-09-01
  • 期刊:
    ACS CATALYSIS
  • 影响因子:
    12.9
  • 作者:
    Chang, Kuan;Zhang, Haochen;Cheng, Mu-Jeng
  • 通讯作者:
    Cheng, Mu-Jeng

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    成浩科

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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

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          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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