第1章 电催化基础与应用研究进展 1
1.1 电化学的发展历史 1
1.2 电催化反应的基本规律和两类电催化反应及其共同特点 3
1.3 研究电极过程的经典电化学方法、表面分析技术和电化学原位谱学方法 5
1.3.1 经典电化学研究方法 5
1.3.2 非传统电化学研究方法及其进展 7
1.4 电催化剂的电子结构效应和表面结构效应 12
1.4.1 电子结构效应对电催化反应速度的影响 12
1.4.2 表面结构效应对电催化反应速度的影响 15
1.5 一些实际电催化体系的分析和讨论 20
1.5.1 纳米粒子的组成及其对电催化性能的影响 20
1.5.2 催化剂载体对电催化性能的影响 21
1.5.3 纳米粒子的表面结构对其电催化性能的影响 22
1.5.4 纳米尺度电催化剂活性的比较与关联 25
1.6 总结与展望 28
参考文献 29
第2章 电催化表面结构效应与金属纳米粒子催化剂表面结构控制合成 33
2.1 电催化表面结构效应 33
2.1.1 金属单晶面及其表面原子排列结构 33
2.1.2 晶面结构效应 34
2.2 金属纳米粒子的表面结构控制合成及其电催化 39
2.2.1 纳米粒子形状与晶面的关系 39
2.2.2 晶体生长规律 41
2.2.3 低表面能金属纳米粒子的控制合成及其催化性能研究 44
2.2.4 高表面能金属纳米粒子的控制合成及其电催化 51
2.3 总结与展望 67
参考文献 69
第3章 电催化中的电子效应与协同效应 75
3.1 金属表面吸附作用的物理化学基础 75
3.1.1 金属的电子能带结构 75
3.1.2 吸附质与金属表面的相互作用 79
3.1.3 吸附作用的密度泛函理论计算 82
3.2 催化作用中的电子效应与协同效应 85
3.2.1 吸附作用的电子特征描述 85
3.2.2 金属表面反应性及其电子效应调控 89
3.2.3 催化作用中的协同效应 91
3.3 研究实例 93
3.3.1 氧还原反应Pt合金催化剂的电子效应 93
3.3.2 甲酸氧化反应Pd合金催化剂的表面反应性调控 98
3.3.3 氢氧化反应Ni催化剂d带反应性的选择性抑制 101
3.3.4 利用几何效应调控Pt催化甲醇氧化的反应选择性 103
3.3.5 Pt-Ru电催化协同效应的直接观测 105
3.3.6 Pd-Au合金表面H吸附与CO吸附所需的最小Pd原子聚集体 108
参考文献 110
第4章 电催化剂的设计与理论模拟 114
4.1 电极／溶液界面电荷传递过程的量子效应 114
4.1.1 电子转移反应的基本类型 114
4.1.2 电子转移的基本原理 115
4.1.3 Marcus的电子转移理论 117
4.1.4 电极／溶液界面电子的隧道效应 123
4.2 电极／溶液界面的量子化学模拟 128
4.2.1 计算方法与模型 128
4.2.2 催化剂的反应活性和电子构型的计算 134
4.2.3 溶剂效应 150
4.2.4 电极电势的模拟 159
4.3 电极过程动力学模拟及其应用 169
4.3.1 氧气电催化还原 169
4.3.2 甲醇电催化氧化 176
4.3.3 电催化非线性动力学过程模拟 180
4.4 总结与展望 190
参考文献 190
第5章 燃料电池催化剂新材料 196
5.1 质子交换膜燃料电池及催化剂概述 196
5.2 阳极催化剂 200
5.2.1 氢-氧燃料电池阳极催化剂 200
5.2.2 DMFC阳极催化剂 202
5.2.3 DFAFC阳极催化剂 212
5.2.4 DEFC阳极催化剂 220
5.3 阴极催化剂 224
5.3.1 阴极氧电还原机理 224
5.3.2 铂基催化剂 225
5.3.3 非铂基金属催化剂 227
5.4 催化剂制备方法 231
5.4.1 浸渍-液相还原法 231
5.4.2 胶体法 233
5.4.3 微乳液法 235
5.4.4 电化学法 235
5.4.5 气相还原法 236
5.4.6 气相沉积法 237
5.4.7 高温合金化法 237
5.4.8 羰基簇合物法 237
5.4.9 预沉淀法 238
5.4.10 离子液体法 238
5.4.11 喷雾热解法 238
5.4.12 固相反应法 239
5.4.13 多醇过程法 240
5.4.14 微波法 240
5.4.15 组合法 241
5.4.16 离子交换法 241
5.4.17 辐照法 241
5.5 载体 242
5.5.1 炭黑 242
5.5.2 中孔碳 243
5.5.3 CNTs 245
5.5.4 碳凝胶 247
5.5.5 空心碳 247
5.5.6 碳卷 249
5.5.7 碳纤维 250
5.5.8 碳纳米分子筛 250
5.5.9 碳化钨 251
5.5.10 硬碳 252
5.5.11 碳纳米笼 252
5.5.12 金刚石 252
5.5.13 富勒烯 252
5.5.14 石墨烯 253
参考文献 253
第6章 氢电极电催化 270
6.1 氢电极反应及其电催化概述 270
6.2 氢的电化学吸附 273
6.2.1 氢的欠电势吸附 274
6.2.2 氢的过电势吸附 278
6.2.3 氢吸附的谱学技术研究 280
6.2.4 氢吸附的理论计算研究 281
6.3 氢电极反应机理 286
6.4 氢电极反应动力学 288
6.4.1 氢电极反应交换电流密度的测量 288
6.4.2 交换电流密度的火山关系图 290
6.4.3 温度对氢电极反应动力学的影响 294
6.5 氢电催化的Pt表面结构效应 296
6.6 氢电催化的铂纳米粒径效应 297
6.7 总结与展望 302
参考文献 304
第7章 铂基催化剂上的氧还原电催化 307
7.1 概述 307
7.2 Pt单质金属催化剂 309
7.2.1 Pt单晶的晶面取向、阴离子吸附对氧还原性能的影响 309
7.2.2 Pt纳米催化剂的粒径效应 314
7.3 铂基二元模型电催化剂的氧还原行为 323
7.4 Pt及其合金的氧还原活性趋势的理论预期 329
7.5 Pt基金属纳米催化剂 334
7.6 ORR机理的研究进展 338
7.7 总结与展望 343
参考文献 344
第8章 几种代氢燃料分子的直接电催化氧化 353
8.1 硼氢化物的直接电催化氧化 353
8.1.1 硼氢化物作为代氢阳极燃料的优势与问题 353
8.1.2 不同金属上硼氢化物电氧化的基本行为 354
8.1.3 BH- 4在金属电极上的电氧化模型 360
8.1.4 硼氢化物的直接电催化氧化小结 364
8.2 氨的直接电催化氧化 364
8.2.1 氨的直接电催化氧化概述 364
8.2.2 氨在Pt及其合金上的电氧化行为 365
8.2.3 氨在金属镍上的电氧化行为 371
8.3 硼氮烷作为阳极燃料的电催化 376
8.3.1 硼氮烷作为阳极燃料的电催化概述 376
8.3.2 BH3NH3在Ag电极上的电氧化 377
8.3.3 几种典型催化剂上硼氮烷的直接电氧化 381
8.3.4 总结与展望 385
参考文献 385
第9章 有机小分子电催化 388
9.1 概述 388
9.2 CO的电催化氧化 390
9.2.1 CO在金属表面的吸附 390
9.2.2 CO在Pt表面电氧化 391
9.2.3 纳米Pt表面CO的电氧化：尺寸及晶面效应 394
9.2.4 Pt-Ru合金表面CO电氧化的“双功能机理” 395
9.2.5 d带能级与表面偏析对电催化的影响 397
9.3 甲醇的阳极氧化 399
9.3.1 甲醇的电氧化机理 399
9.3.2 甲醇电氧化催化剂的设计 400
9.4 甲酸的电催化氧化 402
9.4.1 Pt表面甲酸电氧化机理 402
9.4.2 Pd表面甲酸电氧化 404
9.4.3 甲酸电氧化催化剂的设计 405
9.5 乙醇的电催化氧化 407
9.6 碱性环境中C1小分子的电氧化 408
9.6.1 碱性条件下CO电催化氧化 409
9.6.2 碱性条件下甲醇的电催化氧化 409
9.7 总结与展望 411
参考文献 412
第10章 酶电催化 418
10.1 酶的基本结构与功能 418
10.1.1 酶的基本概念 418
10.1.2 酶的活性中心 418
10.1.3 酶的一级结构与催化功能的关系 419
10.1.4 酶的二级和三级结构与催化功能的关系 419
10.1.5 酶的四级结构与催化功能的关系 421
10.2 酶催化反应的一般理论 422
10.2.1 酶催化反应理论 422
10.2.2 酶催化反应的动力学 424
10.2.3 酶催化反应的动力学参数的求取 426
10.3 酶催化反应的电化学 427
10.3.1 酶催化反应的电化学研究方法 427
10.3.2 酶催化反应的电流理论 434
10.3.3 酶在电极表面的固定 439
10.4 酶催化电化学研究的几个重要例子 451
10.4.1 葡萄糖氧化酶 452
10.4.2 反丁烯二酸还原酶和丁二酸脱氢酶 454
10.4.3 过氧化物酶 459
10.4.4 钼氧转移酶 462
10.4.5 细胞色素P450酶 467
10.4.6 氢酶 469
10.4.7 含铜氧化酶 471
10.5 酶电化学催化的应用 472
10.5.1 用于底物的定量测定 473
10.5.2 用作生物燃料电池的电极催化剂 478
10.5.3 电化学免疫分析 482
10.5.4 DNA杂交检测 483
参考文献 484
第11章 光电催化 495
11.1 概述 495
11.2 光电催化原理 498
11.2.1 太阳能光电催化原理 498
11.2.2 环境光电催化原理 503
11.3 光电催化剂与光电催化反应 507
11.3.1 TiO2光电催化剂的制备 507
11.3.2 提高TiO2光催化活性的途径 510
11.3.3 WO3光电催化剂 512
11.3.4 CdS光电催化剂 514
11.3.5 ZnO光电催化剂 515
11.3.6 新型配合物半导体光电催化剂 517
11.3.7 具有光电催化功能的聚合物纳米复合材料 517
11.3.8 光电催化剂的表征 518
11.3.9 光电催化反应 527
11.4 重要的光电催化过程及应用 541
11.4.1 光电催化电解水制氢 541
11.4.2 光电催化对典型有机污染物的降解 542
11.5 光电催化的研究方法 544
11.5.1 光催化研究过程的分析方法 545
11.5.2 光电催化的动力学研究 549
11.5.3 光电化学研究方法 552
参考文献 561
第12章 燃料电池电催化 567
12.1 燃料电池的分类和性能 567
12.1.1 燃料电池分类 568
12.1.2 燃料电池性能 568
12.2 燃料电池电催化 571
12.2.1 催化剂概述 571
12.2.2 电催化反应特点 573
12.2.3 催化剂的表征方法 578
12.2.4 催化剂的结构组成 588
12.2.5 催化剂的电催化性能 592
12.2.6 催化剂的耐久性 596
12.3 总结与展望 604
参考文献 605
第13章 工业过程电催化 609
13.1 氯碱工业过程电催化 609
13.1.1 氯碱工业概述 609
13.1.2 氯碱电解槽的析氯阳极电催化 612
13.1.3 氯碱电解槽的析氢阴极电催化 619
13.2 湿法冶金工业电积过程电催化 621
13.2.1 湿法冶金工业概述 621
13.2.2 氯化物水溶液中Ni、Co电积过程电催化 624
13.2.3 硫酸溶液中Ni电积过程电催化 625
13.2.4 硫酸溶液Zn电积过程电催化 629
13.3 熔盐铝电解过程电催化 639
13.3.1 熔盐铝电解工业概述 639
13.3.2 碳素阳极的掺杂电催化 640
13.3.3 碳素阳极掺杂电催化机理 645
13.3.4 锂盐阳极糊及其工业应用 649
13.3.5 预焙阳极的掺杂电催化与综合改性 651
参考文献 652
索引 659