מבוא

דחיפה העולמית לאוויר נקי יותר, מים בטוחים יותר, ואנרגיה בת קיימא העצימה את החיפוש אחר חומרים קטליטיים מתקדמים. זרזים מסורתיים המבוססים על מתכות יקרות כגון פלטינה, פליום, וrhodium לספק פעילות גבוהה וסלקטיביות אבל מגיע עם סטיות מרשימות מתפלות: עלות קיצונית, מגבלות אספקה גיאופוליטיות, ורווח סביבתית ממגבלות כריית.

זרזי מתכת לא מסוכנים פועלים באמצעות מנגנונים מגוונים החל מרכיבי אופניים של Redox על משטחים חד-חמצני לאלקטרונים העברה של מרכבי מתכת-nitrogen-carbon.היכולת שלהם להניע תגובות מפתח - הפחתת אוקסגנים, אבולוציה מימן, חמצון מזוהיר, ו- חנקן סגסוגת תחמוצבת - הופכת אותם הכרחיים בתאי דלק, אלקטרוליצרים, טיפול במים, רכב, ו-מסוגים, מספק בדיקה מקיפה, לחץ על ידי פתרונות פיתוח NP, לחץ דם, לחץ דם, לחץ דם, ואפקטים, עם פתרונות סביבתיים, לחץ דם, לחץ דם, עם יעילות, עם NP, סגסוגת סגסוגת נמוכה יותר, עם פתרונות אטומיים, אטומיים, סגסוגת נמוכה יותר, אטומיים, אטומיים, לנטרל את יעילות נמוכה יותר, לנטרל את הפחתת אטומיתיקים, לנטרל את הפחתת סגסוגת נמוכה יותר, סגסוגת נמוכה יותר, עם פתרונות אבטחה, לנטרל את הפחתת יעילות נמוכה יותר, NP-מתקני פיתוח NP, NP, סגסוגת נמוכה יותר, סגסוגת נמוכה יותר, סגסוגת נמוכה יותר, סגסוגת נמוכה יותר, סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת נמוכה יותר,

חשיבותם של Metal Catalysts

קטליזה סביבתית עומדת בפני מתח בסיסי: הזרזים הידועים הפעילים ביותר הם לעתים קרובות מתכות יקרות ביותר ופחות בר קיימא.Precious כמו פלטינה עלות כמה עשרות אלפי דולרים לקילוגרם, ורזרבותיהם מרוכזות ב קומץ מדינות, יצירת פגיעות אספקה. זרזי מתכת לא מסוכנים לשבור את התלות הזו.

מעבר לכלכלה, NPMCs מציעים יתרונות סביבתיים במהלך הייצור. Mining ו refining מתכות קבוצה לייצר פליטות פחמן משמעותיות, זנבות רעילים וזיהום מים. לעומת זאת, מתכות לא-precious רבים ניתן מקורם מזרמים מחזוריים או שפע או הרבה אוסים עם טביעות רגל סביבתיות נמוכות יותר.

יתר על כן, הגמישות של NPMCs מאפשרת להתאים את הכימיה של פני השטח, הנפיחות והמבנה האלקטרוני כדי להתאים לתגובות ספציפיות.ה טונה זו אפשרה לזרזים כי יריב או אפילו לעלות על מדפסות יקרות בתנאים מסוימים, במיוחד באלקטרוליטים אלקליין או בטמפרטורות גבוהות.

סוגים של מתכת לא-Precious Metal Catalysts

המגוון של NPMCs משקף את מגוון התגובות הסביבתיות שהם חייבים להקל על זה באופן רחב, הם נופלים לארבעה קטגוריות, כל אחד עם תכונות מבניות נפרדות ומאפיינים מכניסטיים.

מתכת Oxide

Oxides של מתכות מעבר הראשון - במיוחד ממניפסט, ברזל, קובלט, ניקל ונחושה - הם בין הפעילות ה-NPMCs הנלמדת ביותר שלהם נובע ממצבי חמצון משתנים, סוללות חמצן vacansion, ואת היכולת ליצור מחסנים מאובטחים (Oclicidation) כגון: kutexicicicial COL) VOL) {\displaystyle VOC} VOL} VOL} VOL} VOL} VOL} VOL} VOLICOC} VOL} VOLICTION (OLICTION (OL) {\displaystyle D.

Metal Sulfides ו- Selenides

סוללות מתכת chalcogenides, במיוחד פיזור מוליד (MoS2) ו tungsten disulfide (WS2), הופיעו כזרזים לא-מסוכנים עבור התגובה של זרז האבולוציה מימן (HER) האתרים הפעילים מתגוררים בשוליים של שני שכבות דו-ממדיות, שבו אטומי מנטופור לתאם אנרגיה כמעט מחייבת עבור אטומי מימן doalytics, או מחוזק של פעילות אלקטרו-חמצני.

Catalysts מבוסס פחמן דופד עם מתכת

חומרים מתכת-ניטרוגן פחמן (M-N-C) מייצגים פריצת דרך בהחליפה לתגובת הפחתת החמצן (ORR) בתאי דלק.הזרז הארכיאולוגי נוצר על ידי pyrolyzing a מברק המכיל מתכת מעבר (בדרך כלל ברזל או cobalt), חנקן, ותמיכה בפחמנית גבוהה (-1100 ° C) לייצר סובלנות MN-R (מהפכה) עם חומרים כימיים כגון פחמן-דלקתיים, לעומת זאת, 000) עם חומרים מטבוליים מוגזים מתקדמים, עם חומרים מגנטיים, 000-דלקתיים, 000, לעומת זאת, 000 של פחמן-דלקתיים, 000 גבוה של פחמן-דלקתיים, 000, 000 של פחמן-דלקתיים, 000, 000, 000, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 של טיפול חמצן, 000 של פחמן-N) עם טיפול חמצן, 000 גבוה, 000 גבוה, 000 גבוה, 000.

חומרים קשורים ופרטים

Perovskites (ABO3) ומבנים נגזרים (double perovskites, Rulisden-Popper שלבים) מציעים גמישות מיוחדת של הרכבה. על ידי החלפת זרמי מתכת שונים באתרי A ו- B, החוקרים יכולים באופן שיטתי לשנות ריכוז חמצן פנוי, פער הלהקה, ו מוליכות.

יישומים ב- Environmental Technologies

זרזי מתכת לא מסוכנים הם כעת חלק בלתי נפרד מטכנולוגיות סביבתיות רבות, החל מאנרגיה ועד לזיהום זיהום זיהום.הפריסות שלהם משתרעת על אבטיפוס בקנה מידה מעבדה לטייסים תעשייתיים, עם מספר טכנולוגיות ליד מוכנות מסחרית.

תאי דלק לאנרגיה נקייה

תאים דלק להמיר אנרגיה כימית מימן או דלקים המכילים מים עם מים כמו המוצר היחיד.הגוף של הפחתת חמצן קטודה (ORR) הוא צוואר הבקבוק הקינטי העיקרי, באופן מסורתי הדורש זרז פלטינה. Iron- ו- cobalt מבוסס M-N-C חומרים שמבוססים על פחמן-CDC, אשר השיגו באמצעות זרם חשמלי מבטיח ביותר, במיוחד עבור תאי דלק אלקלליין ו- anion-mbrane (F2D) אשר הוכיחו את ה-N-FD-CDC של תאים תחת פיקוח על ידי חברת דלק מסוג 1.5N-CDC (אנרגיה מודרנית) אשר מטבוליזם של פחמן-FDR) אשר מטבוליזם של פחמן-FDR.

מים אלקטרו-טקליטיים מחולקים ל- Hydrogen

ייצור מימן ירוק באמצעות אלקטרוליזה מים הוא אבן הפינה של מערכות אנרגיה מחוספסות בעתיד.התגובה הכוללת כוללת את התגובה של התפתחות מימן (HER) בקטודה ואת התגובה של האבולוציה החמצן (OER) ב aode. non-precious זרזs להצטיין במיוחד ב- Alkaline mlyzers. for Her, מעבר phosphides (Feru, CoP, CoP, 2) ו-Sp2ide (Op2sive ⁇ s) מפשטוריד אלקטרוליטורג's2s2s) ו-Hpot2s2s2sclisclis (Op2s) מ-Hpot2scide (Op) מקשה יותר מ-Ricerton אלקטרו-Ricerton אלקטרו-Hpot2s.

דירוג של זיהום אורגני בשפכים

פסולת תעשייתית מכילה תרכובות אורגניות של מזהמים - תרופות, חומרי הדברה, ופנולים - אשר מתנגדים לטיפולים ביולוגיים (AOPs) באמצעות זרז מתכת לא-precious יכול לשבור את המזהמים האלה לזיהומים פחמן דו-חמצני בלתי מזיקים ומים באמצעות תגובות חד-חמצניות-חמצני.

« Oxides in Exhaust Gases

ירידה קטליטית (SCR) של תחמוצות חנקן (NOx) ממכשירים ופליטות תעשייתיות בדרך כלל משתמשת במנועי המרה מבוססי ונופי נחושת (SCR) או נחושת-zeolite זרזים (Nexadium-zeolite זרזים) על ידי מנועי ניטור C2, בעוד אלה מכילים כמה מתכות לא-precious MN2, ו-On2, מראים כיפות חום גבוה יותר של C2CDC) לטמפרטורות נמוכות יותר.

פחמן די-חמצני Conversion

(החלת CO2 לדלקים שימושיים וכימיקלים (e-Chemicals) מתייחסת הן לשינוי האקלים והן לאחסון אנרגיה. זרז מתכת לא-precious פעיל עבור הפחתה אלקטרו-כימית CO2 (CO2RR) לפחמן פחמן, חומצת הפחמן COMic, NPFF ו- hydrocarbons.com נשאר היכולת היחידה לייצר מוצרים רב-פחמימנים (למשל, ethylene, e- ELT), אך לעתים קרובות דורש phoal) עם photial (D) ו-D) עם photialedicolate.

התקדמות בסיינטות ובאפיון

הביצועים של זרזי מתכת לא-precious קשור באופן אינטימי לסנתתת שלהם ואת ההתקדמות הננו-מבנה וכתוצאה מכך, ננו-מבנה. Key מאפשרת עיצוב רציונלי של אתרים פעילים עם דיוק חסר תקדים.

המונחים: ננופ חלקיקים Synthesis

שיטות Wet-chemical - סולמות, הידרותרמי, וסינתזה קולונואידית - מאפשרות שליטה מדויקת על גודל, צורה, וקומפוזיציה.לדוגמה, ננובות תחמוצות תחמוצת עם פרצות חשופים {100} מציגות פעילות OER חמש פעמים גבוה יותר מאשר חלקיקים לא סדירים.

Pyrolysis ו Carbonization

עבור M-N-C זרז, תנאי pyrolysis - זמן, קצב רפלקציה, אווירת שהייה - לקבוע את תצורת האתר הפעיל הסופי (700-800 ° C) מעדיפים שיא מבוזר באופן אטומי F-N4 moiesis, בעוד טמפרטורות גבוהות יותר (900-1000 מעלות צלזיוס) לייצר פחמן גרף יותר וננו-חלקיק מתכתי.

ב-Situ and Operando Characterization

הבנת כיצד זרזים מתפתחים בתנאי הפעלה היא קריטית עבור אופטימיזציה רציונלית.טכניקות מתקדמות כגון X-ray ספיגת ספקטרוסקופיה (XAS), ambient-pressure X-ray photoelectelectron spectroscopy (AP-XPS), ו-Gate אלקטרוני שלב מיקרוסקופית (TEM) עם תאים סביבתיים עכשיו לאפשר לחוקרים לצפות שינויים במדינות חמצון, ligand, וגודל nanop בשכבה אמיתית של XRM2ide, לדוגמה, כלומר, היא יעילה של עיצובית של X.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה מחסומים נותרו לפני זרז מתכת לא צפוי יכול לחלוטין לפסול מתכות יקרות יישומים סביבתיים.האתגרים הדוחקים ביותר כרוכים עמידות, הסתברות פעילות בתנאים ריאליים, ומיומנות.

אפשרויות ל Harsh Environment

בתאי דלק ואלקטרוליטים, זרזים עומדים בפני סביבות חומציות או אלקליין, פוטנציאלים גבוהים, ומינים רדיקליים לתקוף פחמן תומך ומרכזי מתכת. M-N-C בדרך כלל לאבד 20–40% מפעילותם הראשונית בתוך 100-500 שעות של פעילות גופנית בפגזים חומציים. Degradation כולל פיזור (ירידה של Fe או Coions), פחמן קורוזיה, ומיקרו-Ficbenecrelimates) באמצעות סגסוגת מתכתית אבטחה טובה יותר (מפולנסיגה) באמצעות סגסוגת חמצן (מפולנית).

פעילות ב-Gap under Stringent Conditions

במקרים הטובים ביותר, NPMCs להתאים ביצועים מתכת יקר באלקלליין או מדיה נייטרלית. עם זאת, בתאי דלק proton-exchange membrane כי יישומי רכב כוח, זרז מבוסס פלטינה עדיין להחזיק - 50 מ"ר יתרון בדנות נוכחיות גבוהה יותר, פעילות של NPMCs עבור OCM בחומצה (הצורך PEM אלקטרוליטי) נשאר יתרון אלקטרונים כגון סגסוגת אלקטרו-דלקתיות גבוהה.

ייצור סקאלה

תרגם פריצת דרך במעבדה לייצור מסחרי דורש סינתזת בעלות נמוכה בקילוגרם בהיקף של NPMCs מבטיח רבים להסתמך על מבשרים יקרים (למשל, MOFs, נוסחאות בעלות נמוכה ב-Kiltupity Reagents) או הליכים מורכבים של ריבוי שלבים.Spray pyrolysis, כורים זרימה רצופים, ו-Plaing הם נחקרים כמו חלופות MNicoltoltol-C.

היברידית ורב-תפקוד Catalysts

כיוונים עתידיים נעים מעבר לזרז חד-פעמיים לקראת היברידיות שממנף אפקטים סינרגטיים.לדוגמה, שילוב של תחמוצת מתכת (OER זרז) עם sulfide מתכת (HER זרז) על תמיכה פחמן דו-חמצני אקטיבית מניבה אלקטרודה דו-תפקודית עבור פיזור מים כולל.com Control, הפיכה חומר למניעת זיהום כגון zeolite עם תחמוצת מתכת ו-חמצני יכול לבדוק את תנאי בדיקה אופטית של ניקוטין-מדומים של חומרים מדגמים:

סגירת סימניות

הפיתוח של זרזי מתכת לא-precious עבור יישומים סביבתיים עומד על צו ביקורתי.עשרות שנים של מחקר יסודי יצרו הבנה עמוקה של קטליזה ברמה האטומית, וטכניקות סינתטיות מאפשרות כעת בנייה מדויקת של אתרים פעילים.האתגרים הנותרים מטופלים באופן שיטתי באמצעות עיצוב חומרים טובים יותר, התאמה מתקדמת ועיבוד הדרגתי.