纳米催化材料与电化学应用

由于纳米材料具有比表面积大、活性位点多等优势，在电催化领域有广泛应用。本书全面而系统地归纳了纳米催化材料的特性、合成、表征、电催化基本原理及各种电化学应用方面的基础知识。全书共分8章，第1章介绍了纳米催化材料的基本概念及特性，包括纳米材料发展历史、结构特性及纳米催化剂的优势。第2章概述了纳米催化材料的合成方法，包括化学合成和物理合成方法。第3章介绍了纳米催化材料的表征，包括形貌表征、成分表征、结构组成分析。第4章介绍了电催化基本原理，包括表面结构、粒子组成以及催化剂载体对电催化反应的影响。第5~8章分别阐述了纳米催化材料在电解水、燃料电池、二次电池、工业电催化等方面的应用。

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前言 第1 章　纳米催化材料的基本概念和　特 1 1.1　纳米材料的定 1 1.2　纳米材料的基本特 2 1.2.1　表面效应 2 1.2.2　小尺寸效应 3 1.2.3　量子尺寸效应 4 1.2.4　宏观量子隧道效应 4 1.3　纳米材料在催化中的应用及优 5 1.3.1　金属纳米材料 5 1.3.2　硫化物纳米材料 11 1.3.3　氧化物纳米材料 11 1.3.4　碳纳米材料 11 1.4　总结与展 12 思考 13 参考文 14 第2 章　纳米催化材料的合成方 16 2.1　化学合成方 16 2.1.1　沉淀法 16 2.1.2　氧化还原法 19 2.1.3　溶胶- 凝胶法 22 2.1.4　水热法 23 2.1.5　溶剂热法 24 2.1.6　热分解法 25 2.1.7　微乳液法 26 2.1.8　高温燃烧合成法 27 2.1.9　模板合成法 28 2.1.10　电解法 31 2.1.11　气相法 35 2.1.12　辐射化学合成法 36 2.2　物理合成方 37 2.2.1　气相法 37 2.2.2　液相法 43 2.2.3　固相法 46 2.3　本章小 48 思考 49 参考文 50 第3 章　纳米催化材料的表 51 3.1　形貌表 51 3.1.1　透射电子显微镜（TEM） 51 3.1.2　扫描电子显微镜（SEM） 52 3.1.3　原子力显微镜（AFM） 55 3.2　成分表 57 3.2.1　原子吸收光谱法（AAS） 57 3.2.2　电耦合等离子体发射光谱法（ICPOES） 57 3.2.3　电耦合等离子体质谱法（ICPMS） 58 3.2.4　X 射线荧光光谱分析法（XRF） 58 3.2.5　俄歇电子能谱分析法（AES 59 3.2.6　X 射线能量色散分析法 61 3.2.7　电子能量损失谱（EELS 61 3.3　结构组成分 62 3.3.1　XRD 62 3.3.2　XAS 62 3.3.3　X 射线光电子能谱（XPS） 64 3.3.4　傅里叶变换红外光谱（FTIR） 64 3.3.5　核磁共振（NMR） 64 3.3.6　低能离子散射（LEIS） 65 3.3.7　紫外- 可见光谱（UV-Vis） 66 3.3.8　动态光散射（DLS 66 3.3.9　纳米粒子跟踪分析（NTA） 66 3.3.10　质谱法（MS） 67 3.3.11　二次离子质谱（SIMS） 68 3.3.12　飞行时间二次离子质谱 （ToF-SIMS） 68 3.3.13　共振质量测量微机电系统 （RMM-MEMS） 68 3.3.14　Zeta（ζ） 电位 68 3.3.15　电泳迁移率（EPM） 69 3.3.16　凝胶渗透色谱法（GPC） 69 3.3.17　电感耦合等离子体光发射光谱法 （ICP-OES） 69 3.3.18　电喷雾差动分析（ES-DMA） 69 3.3.19　石英晶体微天平（QCM） 69 3.4　电催化的原位表征技 70 3.4.1　XAS 70 3.4.2　XE 70 3.4.3　穆斯堡尔谱法 71 3.4.4　XPS 71 3.4.5　光学光谱学：拉曼光谱和红外光谱 71 3.4.6　X 射线计算机断层扫描 72 3.5　结论和展 73 思考 75 参考文 75 第4 章　电催化基本原 78 4.1　电催化反应的基本规 78 4.2　电子结构和表面结构对电催化反应的影 79 4.2.1　电子结构效应对电催化反应速度的影响 79 4.2.2　电子结构效应在催化反应中的应用 81 4.2.3　表面结构效应对电催化反应速度的影响 87 4.2.4　表面结构效应在催化反应中的应用 88 4.2.5　总结和展望 93 4.3　纳米粒子的组成对电催化反应的影 93 4.3.1　析氧催化（OER） 材料 93 4.3.2　析氢催化（HER） 材料 96 4.3.3　氧还原催化（ORR） 材料 97 4.3.4　二氧化碳还原催化材料 98 4.3.5　氮还原反应材料 100 4.4　催化剂载体对电催化反应的影 102 4.4.1　催化剂载体的主要作用 102 4.4.2　载体的组成对催化剂性能的影响 105 4.4.3　载体的形貌对催化剂性能的影响 106 4.4.4　总结 107 思考 108 拓 109 参考文 110 第5 章　纳米催化材料在电解水中的　应 113 5.1　电解水技术简 113 5.2　电解水反应机 114 5.2.1　HER 114 5.2.2　OER 117 5.2.3　HER 和OER 性能评价标准 120 5.3　HER 的纳米催化 123 5.3.1　贵金属基催化剂 123 5.3.2　非贵金属基催化剂 127 5.3.3　非金属基催化剂 137 5.4　OER 的纳米催化 138 5.4.1　贵金属基催化剂 138 5.4.2　3d 过渡金属基催化剂 141 5.4.3　非金属基催化剂 151 思考 151 参考文 152 第6 章　纳米催化材料在燃料电池中的　应 154 6.1　燃料电池的概述和分 154 6.1.1　质子交换膜燃料电池简介 156 6.1.2　碱性燃料电池简介 158 6.1.3　直接液体燃料电池简介 159 6.1.4　熔融碳酸盐燃料电池简介 161 6.1.5　固体氧化物燃料电池简介 162 6.2　燃料电池的性能表 163 6.2.1　燃料电池性能 163 6.2.2　单电池测试技术 165 6.2.3　催化剂的电催化性能 166 6.2.4　催化剂的耐久性 169 6.3　燃料电池的电催化机 171 6.3.1　阳极电催化机理 171 6.3.2　阴极电催化机理 173 6.4　燃料电池的纳米催化材 175 6.4.1　铂基纳米催化剂 175 6.4.2　非铂基纳米催化剂 190 思考 198 参考文 199 第7 章　纳米催化材料在二次电池中的应 201 7.1　纳米催化材料在金属空气电池中的应 201 7.1.1　金属- 空气电池概述 201 7.1.2　金属- 空气电池的充放电机理 203 7.1.3　金属- 空气电池的负极材料 205 7.1.4　金属- 空气电池的电解液 206 7.1.5　金属- 空气电池的正极 207 7.2　金属- 硫电池 219 7.2.1　金属- 硫电池概述 219 7.2.2　金属- 硫电池的电催化反应原理 220 7.2.3　硫电极纳米催化剂 223 思考 233 参考文 233 第8 章　工业电催 236 8.1　工业电催化基 236 8.1.1　催化剂 237 8.1.2　催化反应器 238 8.2　氯碱工业电催 240 8.2.1　氯碱工业过程电催化 240 8.2.2　析氯阳极电催化 242 8.2.3　析氢阴极电催化 244 8.3　电沉积与电 245 8.3.1　湿法电冶金工业概述 245 8.3.2　镍钴电沉积 246 8.3.3　锌的电沉积 247 8.3.4　铝的熔盐电解 252 8.4　新能源产业电催 256 8.4.1　锂离子二次电池材料 256 8.4.2　燃料电池 259 8.4.3　新能源领域催化的发展趋势 261 8.5　新型电催化反应的工业化进 262 8.5.1　水电解反应 263 8.5.2　氧还原反应 264 8.5.3　电化学N2 还原反应 264 8.5.4　二氧化碳的电化学还原反应 264 8.6　展 265 思考 265 参考文 266