纳米材料前沿--电催化纳米材料

第1章铂基和非铂基氧还原催化剂纳米材料001

魏子栋（重庆大学化学化工学院）

1.1　概述 002

1.2　氧还原催化机理 003

1.3　铂基催化剂 008

1.3.1　晶面调控 010

1.3.2　构建双金属或多金属体系 012

1.3.3　表面修饰 021

1.3.4　载体增强 025

1.4　非铂基催化剂 031

1.4.1　Pd基催化剂 031

1.4.2　非贵金属催化剂 034

1.4.3　非金属催化剂 038

1.5　总结与展望 046

参考文献 046

第2章碳基非贵金属氧还原催化剂纳米材料065

杨晓冬，周志有，陈驰，王宇成，孙世刚

（厦门大学能源材料化学协同创新中心，厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，厦门大学化学化工学院）

2.1　概述 066

2.2　碳基非贵金属氧还原催化剂的发展历程 067

2.3　碳基非贵金属催化剂的制备技术 068

2.3.1　高温热解法 068

2.3.2　高温热解催化剂的结构设计 072

2.3.3　非热解法 078

2.4　碳基非贵金属催化剂的活性位结构研究 080

2.4.1　碳缺陷活性位 080

2.4.2　氮掺杂碳活性位 081

2.4.3　Fe/N/C活性位 083

2.5　碳基非贵金属催化剂在燃料电池中的应用 089

2.5.1　在质子交换膜燃料电池中的应用 090

2.5.2　在阴离子交换膜燃料电池中的应用 092

2.5.3　在甲醇燃料电池中的应用 093

2.5.4　碳基非贵金属催化剂的传质 094

2.6　总结与展望 095

参考文献 096

第3章质子交换膜氢氧燃料电池阳极催化剂纳米材料103

周小春，杨辉（中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，中国科学院上海高等研究院）

3.1　概述 104

3.2　基本原理和表征方法 105

3.2.1　氢的电氧化原理 105

3.2.2　阳极纳米催化剂的表征方法 106

3.3　阳极纳米催化剂的主要研究进展 110

3.3.1　自增湿催化剂 110

3.3.2　超低载量方法 115

3.3.3　非铂催化剂 120

3.4　总结与展望 124

参考文献 124

第4章直接醇类燃料电池阳极电催化纳米材料131

廖世军（华南理工大学化学与化工学院）

4.1　概述 132

4.2　直接醇类燃料电池阳极反应及其一般机理 133

4.3　直接甲醇燃料电池阳极催化剂纳米材料 135

4.3.1　PtRu二元合金纳米粒子催化剂 135

4.3.2　PtRu/氧化物催化剂 138

4.3.3　PtRuX三元催化剂 139

4.4　直接乙醇燃料电池阳极催化剂纳米材料 141

4.4.1　单组分贵金属催化剂 141

4.4.2　双组分贵金属催化剂 142

4.4.3　三组分金属催化剂 145

4.4.4　非贵金属催化剂体系 146

4.5　其他醇类燃料电池阳极催化剂纳米材料 147

4.6　总结与展望 149

参考文献 150

第5章锂-空气电池碳基催化剂纳米材料157

张新波（中国科学院长春应用化学研究所）

5.1　概述 158

5.1.1　锂-空气电池发展背景 158

5.1.2　锂-空气电池的工作原理和分类 159

5.1.3　锂-空气电池的基本组成及关键材料 161

5.2　碳电催化纳米材料 162

5.2.1　分类及电化学性能 163

5.2.2　在锂-空气电池中的反应机理 169

5.3　碳载金属/金属氧化物复合电催化纳米材料 170

5.3.1　制备方法 171

5.3.2　在锂-空气电池中的催化机理及电化学性能 177

5.3.3　选择、设计与开发 181

5.4　杂原子掺杂碳基电催化纳米材料 183

5.4.1　杂原子掺杂碳基电催化纳米材料的制备 183

5.4.2　催化机理及电化学性能 184

5.5　总结与展望 188

参考文献 188

第6章锂-空气电池正极催化剂纳米材料193

何平，周豪慎（南京大学现代工程与应用科学学院）

6.1　概述 194

6.1.1　研究背景和基本原理 194

6.1.2　有机体系 195

6.1.3　组合电解液 199

6.1.4　全固态电解质 202

6.1.5　小结 203

6.2　碳基纳米催化材料 205

6.2.1　多孔碳 205

6.2.2　碳纳米线/管 207

6.2.3　石墨烯 209

6.2.4　三维结构碳基材料 211

6.2.5　碳基掺杂材料 213

6.3　贵金属 215

6.3.1　金、铂、钯 215

6.3.2　钌与氧化钌 217

6.3.3　贵金属基复合材料 219

6.4　纳米结构过渡金属氧化物 220

6.4.1　锰氧化物 221

6.4.2　钴氧化物 222

6.4.3　镍氧化物 224

6.4.4　复合氧化物 225

6.5　可溶性催化剂 226

6.5.1　多环类氧化还原电对 227

6.5.2　碘化物 228

6.5.3　水 229

6.6　总结与展望 230

参考文献 230

第7章环境污染物电催化处理纳米材料237

周明华（南开大学环境科学与工程学院）

7.1　概述 238

7.1.1　环境电化学的发展 238

7.1.2　环境电催化 239

7.1.3　环境电催化纳米材料 240

7.2　阳极氧化 241

7.2.1　概述 241

7.2.2　过程影响因素和特征参数 244

7.2.3　金属阳极及其环境应用 247

7.2.4　金属氧化物阳极及其环境应用 248

7.2.5　碳材料阳极及其环境应用 253

7.3　阴极电化学还原 256

7.3.1　概述 256

7.3.2　电芬顿 258

7.4　总结与展望 268

参考文献 269

第8章光电解水电催化纳米材料275

申燕，王鸣魁（武汉光电国家研究中心，华中科技大学光学与电子信息学院）

8.1　概述 276

8.1.1　光电解水的原理 278

8.1.2　光电化学池 279

8.1.3　光电解水效率 280

8.1.4　太阳能-化学能转换效率 281

8.2　半导体光电化学 282

8.2.1　半导体/液体接触物理 282

8.2.2　光电解水体系界面能级优化 283

8.2.3　光照条件下半导体/液体界面体动力学 284

8.3　光阴极析氢过程 285

8.3.1　光电解水析氢反应机理 286

8.3.2　光阴极材料 287

8.4　光阳极材料 291

8.4.1　过渡金属氧化物光阳极材料 291

8.4.2　染料敏化半导体光阳极材料 296

8.4.3　影响光阳极性能的因素 301

8.5　电催化剂对光电极的影响 302

8.5.1　析氢催化剂材料 303

8.5.2　析氧催化剂材料 303

8.5.3　催化剂微纳结构对光电极效率的影响 304

8.6　总结与展望 305

参考文献 306

第9章生物燃料电池电催化纳米材料317

朱俊杰（南京大学化学化工学院）

9.1　概述 318

9.1.1　酶生物燃料电池 319

9.1.2　微生物燃料电池 320

9.2　酶生物燃料电池电催化纳米材料 322

9.2.1　碳材料 322

9.2.2　金属纳米粒子 329

9.2.3　纳米结构导电聚合物 331

9.2.4　复合材料 332

9.3　微生物燃料电池电催化纳米材料 339

9.3.1　MFC阳极电催化纳米材料 339

9.3.2　MFC阴极电催化纳米材料 345

9.4　总结与展望 349

参考文献 351

第10章微生物制备纳米材料的电子传递机制及其应用361

赵峰，吴雪娥，姜艳霞（中国科学院城市环境研究所，厦门大学化学化工学院）

10.1　概述 362

10.2　胞外电子传递 363

10.2.1　直接胞外电子传递 363

10.2.2　间接胞外电子传递 365

10.3　微生物制备的纳米材料 366

10.3.1　纳米材料与电子 366

10.3.2　纳米材料与荧光 370

10.3.3　纳米材料与磁性 373

10.4　微生物电化学的分析方法 374

10.4.1　循环伏安和微分脉冲 375

10.4.2　计时电流 376

10.4.3　微生物电化学原位红外光谱 377

10.4.4　扫描探针显微技术 378

10.5　总结与展望 379

参考文献 380

第11章有机分子合成电催化纳米材料385

王欢，陆嘉星（华东师范大学化学与分子工程学院，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室）

11.1　概述 386

11.2　金属纳米材料 388

11.2.1　单金属纳米材料在电催化合成中的应用 388

11.2.2　双金属纳米材料在电催化合成中的应用 399

11.3　碳基纳米材料 406

11.3.1　硼掺杂金刚石电极在有机电合成中的应用 406

11.3.2　功能化碳电极在有机电合成中的应用 409

11.4　聚合物纳米材料 411

11.4.1　聚合物膜在电催化合成中的应用 411

11.4.2　负载金属（金属氧化物）/聚合物膜在电催化合成中的应用 414

11.4.3　金属有机配合物膜在电催化合成中的应用 415

11.5　其他新型复合纳米材料 417

11.5.1　生物碱@Ag纳米材料在不对称电催化还原中的应用 417

11.5.2　[Co]@Ag纳米材料在不对称电催化羧化C—X中的应用 420

11.5.3　负载Ag分子筛纳米材料在电催化还原中的应用 422

11.6　总结与展望 424

参考文献 425

第12章CO2还原电催化纳米材料433

贾法龙（华中师范大学化学学院）

12.1　概述 434

12.2　电催化还原CO2的原理 436

12.2.1　水溶液体系中CO2电催化还原 436

12.2.2　非水溶液体系中CO2电催化还原 439

12.2.3　CO2电催化还原的主要影响因素 440

12.3　电催化还原CO2研究方法 441

12.3.1　仪器装置和产物分析 441

12.3.2　反应机理研究 442

12.4　催化CO2电化学还原的纳米材料 444

12.4.1　铜族纳米材料 444

12.4.2　铂族纳米材料 459

12.4.3　其他过渡金属纳米材料 463

12.4.4　p区部分金属纳米材料 470

12.4.5　金属氧化物及碳材料 472

12.5　总结与展望 477

参考文献 478

第13章水电催化纳米材料483

胡吉明，伍廉奎（浙江大学化学系）

13.1　概述 484

13.2　析氢电催化纳米材料 484

13.2.1　析氢反应及其基本反应历程 485

13.2.2　贵金属析氢反应电催化纳米材料 491

13.2.3　其他析氢反应电催化纳米材料 494

13.3　析氧电催化纳米材料 503

13.3.1　析氧反应的基本特征 504

13.3.2　析氧反应电催化活性理论 505

13.3.3　析氧反应的电催化机制 511

13.3.4　钛基氧化物涂层电极 514

13.3.5　其他电催化析氧纳米材料 524

13.4　析氯电催化纳米材料 528

13.4.1　析氯反应及其基本特征 529

13.4.2　Ti基RuO2纳米涂层电极 534

13.4.3　其他析氯反应电催化纳米材料 539

参考文献 541

索引 558

本书依据作者研究团队以及国内外电催化纳米材料的研究进展，系统介绍了铂基和非铂基氧还原催化剂纳米材料、碳基非贵金属氧还原催化剂纳米材料、质子交换膜氢氧燃料电池阳极催化剂纳米材料、直接醇类燃料电池阳极电催化纳米材料、锂-空气电池碳基催化剂纳米材料、锂-空气电池正极催化剂纳米材料、环境电催化纳米材料、光电解水电催化纳米材料、生物燃料电池电催化纳米材料、微生物制备纳米材料的电子传递机制及其应用、有机分子合成电催化纳米材料、CO2还原电催化纳米材料、水电催化纳米材料。

第1章 纳米和纳米材料1

1.1 引言1

1.1.1 纳米科学技术的兴起1

1.1.2 纳米材料的发展1

1.2 纳米技术的学科领域3

1.2.1 纳米材料学3

1.2.2 纳米动力学4

1.2.3 纳米生物学和纳米药物学4

1.2.4 纳米电子学5

1.2.5 纳米化学5

1.3 纳米材料的研究内容5

1.4 纳米材料的发展趋势7

参考文献8

第2章 纳米材料制备方法9

2.1 概述9

2.1.1 纳米材料制备技术的形成9

2.1.2 纳米材料制备技术的种类和进展10

2.2 纳米微粒的制备方法10

2.2.1 制备纳米粒子的物理方法10

2.2.2 制备纳米粒子的化学方法16

2.3 一维纳米材料的制备方法19

2.3.1 气相法20

2.3.2 液相法22

2.3.3 模板法22

2.4 纳米薄膜的制备方法23

2.4.1 物理方法23

2.4.2 化学方法27

2.5 纳米金属材料的制备方法30

2.5.1 纳米金属粉末的制备30

2.5.2 纳米金属复合粉末的制备33

2.5.3 纳米晶金属块体材料的制备33

参考文献36

第3章 纳米材料的表征39

3.1 粒度分析39

3.1.1 概述39

3.1.2 粒度分析的方法39

3.1.3 粒度分析样品的制备41

3.2 形貌分析42

3.2.1 概述42

3.2.2 透射电子显微镜42

3.2.3 扫描电子显微镜49

3.2.4 扫描隧道显微镜54

3.2.5 原子力显微镜56

3.3 结构分析57

3.3.1 概述57

3.3.2 X射线衍射分析57

3.3.3 红外（IR）、激光拉曼(Raman)光谱66

3.4 成分分析68

3.4.1 概述68

3.4.2 X射线光电子能谱68

3.4.3 俄歇电子能谱71

3.4.4 电子探针X射线微区成分分析73

3.4.5 电子能量损失谱75

参考文献75

第4章 纳米材料的物理化学性能76

4.1 纳米材料的基本效应76

4.1.1 尺寸效应76

4.1.2 表面与界面效应76

4.1.3 宏观量子隧道效应78

4.2 电学性能78

4.2.1 介电常数和介电损耗78

4.2.2 纳米氧化物的介电性能80

4.3 磁学性能81

4.3.1 矫顽力82

4.3.2 超顺磁性83

4.3.3 饱和磁化强度、居里温度与磁化率84

4.4 光学性能85

4.4.1 基本概念85

4.4.2 纳米材料的光吸收特性87

4.5 热学性能90

4.5.1 纳米材料的热学性质及尺寸效应90

4.5.2 纳米晶体的晶粒成长94

4.5.3 纳米晶体的点阵热力学性质98

4.5.4 纳米晶体的界面热力学99

4.6 化学性能102

4.6.1 吸附102

4.6.2 纳米微粒的分散与凝聚104

4.6.3 流变学106

参考文献110

第5章 纳米晶材料的力学性能112

5.1 纳米晶金属和合金的力学性能112

5.1.1 屈服强度113

5.1.2 延展性116

5.1.3 应变硬化118

5.1.4 应变速率敏感性118

5.1.5 纳米晶材料的蠕变122

5.1.6 纳米晶材料的疲劳125

5.2 纳米晶金属和合金的变形机制128

5.2.1 堆积破坏（pile"para" label-module="para">

5.2.2 晶粒边界滑动130

5.2.3 核"para" label-module="para">

5.2.4 晶粒边界转动/晶粒合并140

5.2.5 剪切带的形成140

5.2.6 梯度模型142

5.2.7 孪晶143

5.2.8 晶粒边界位错的形成和湮灭147

5.3 纳米晶金属和合金的断裂150

5.4 纳米晶陶瓷及复合材料的力学性能152

参考文献153

第6章 纳米材料的应用160

6.1 纳米陶瓷材料的应用160

6.1.1 纳米陶瓷颗粒的应用160

6.1.2 纳米陶瓷线的应用164

6.1.3 纳米陶瓷薄膜的应用169

6.1.4 纳米陶瓷的应用及展望172

6.2 纳米金属材料的应用174

6.2.1 纳米金属粉末材料的应用174

6.2.2 纳米金属薄膜材料的应用177

6.2.3 纳米金属块体材料的应用178

6.3 纳米高分子材料的应用179

6.3.1 纳米橡胶179

6.3.2 纳米塑料180

6.3.3 复合纤维182

6.3.4 纳米涂料183

参考文献185

第7章 纳米碳材料186

7.1 碳材料基础186

7.2 纳米碳材料188

7.2.1 纳米碳球189

7.2.2 纳米碳管199

7.2.3 纳米碳纤维207

7.3 碳纳米复合材料217

7.3.1 GICs的分类218

7.3.2 GICs的制备方法219

7.3.3 GICs的性质与用途221

参考文献224

第8章 纳米材料最新研究进展231

8.1 纳米材料制造工艺与结构材料研究发展232

8.1.1 磁性纳米材料的制备及应用新进展232

8.1.2 纳米二氧化硅复合材料的应用研究进展233

8.1.3 碳纳米管及其复合材料的制备与性能研究进展234

8.1.4 纳米复合涂层在航空航天材料中的研究进展235

8.1.5 纳米分子236

8.2 纳米材料在食品与农业的研究发展237

8.2.1 超细微粒和纳米粒子的制备技术238

8.2.2 微乳化技术和纳米胶囊制备技术238

8.2.3 分子自组装技术238

8.2.4 纳米科技在渔业农业和节能环保上的应用239

8.3 纳米电子材料与计算设备研究发展240

8.3.1 稀土掺杂纳米发光材料的应用前景和展望240

8.3.2 氧化锌基纳米发光材料的研究进展240

8.3.3 CdSe纳米材料最新研究进展241

8.3.4 导电聚合物/无机纳米复合材料的研究进展241

8.3.5 单电子存储器242

8.3.6 纳米芯片244

8.4 纳米材料在卫生保健领域的研究发展245

8.4.1 纳米高分子材料在生物医学领域的研究与应用245

8.4.2 纳米骨植入材料表面结构及作用机制研究进展246

8.4.3 金纳米团簇功能化及其在生物医学中的应用247

8.4.4 纳米给药系统250

8.5 纳米材料在能源领域和环保领域的研究进展251

8.5.1 一维纳米材料在锂离子蓄电池中的应用进展251

8.5.2 纳米结构太阳能电池材料的研究进展253

8.5.3 纳米催化剂在直接甲醇燃料电池中的研究现状257

8.5.4 纳米材料在空气净化中的应用研究258

参考文献2602100433B

《纳米材料概论》结合国内外近年来纳米材料的研究进展编写而成。《纳米材料概论》的主要特点是引用了大量实例，说明纳米材料的制备、表征、性能、应用。《纳米材料概论》可作为大专院校有关材料类、化学类、物理类专业及其他相关专业的本科生及研究生的教学用书，也可供从事该领域研究的科研人员使用。

第1章　原子团簇

1.1　团簇的研究简史

1.2　原子团簇的概念和研究内容

1.3　团簇的制备方法

1.4　团簇的结构与性质

1.5　模拟计算理论与方法

参考文献

第2章　纳米颗粒

2.1　纳米颗粒的概念与性质

2.2　纳米颗粒的表征与测试

2.3　纳米颗粒的制备方法

2.4　纳米颗粒的表面改性

参考文献

第3章　一维纳米材料

3.1　一维纳米材料的制备方法

3.2　一维纳米材料的微结构表征

3.3　一维纳米材料的生长机制

3.4　一维纳米材料的特性

3.5　一维纳米材料的应用前景

参考文献

第4章　纳米薄膜

4.1　纳米薄膜的分类与性质

4.2　纳米薄膜的制备方法

4.3　纳米薄膜的制备举例及结构表征

参考文献

第5章　纳米结构材料

5.1　纳米结构材料结构特征及研究方法

5.2　纳米结构材料的性能

5.3　纳米固体材料制备方法

5.4　纳米复合材料

参考文献

第6章　纳米材料合成制备专题

6.1　激光驱动气相合成纳米硅基陶瓷粉末

6.2　热管炉加热气相合成纳米铁基磁性粉末

6.3　纳米粒子的化学合成理论与技术

6.4　Y-PSZ纳米粒子团聚性研究

6.5　Ni-P-纳米粒子化学复合镀理论与技术

6.6　TiO2 纳米复相陶瓷材料研究

6.7　Al2O3-ZrO2纳米复相陶瓷材料研究

6.8　铁原子团簇的红个与微波吸收特性研究

参考文献2100433B