近日，清华大学化学系王定胜教授、李亚栋院士领导的课题组在甲酸电氧化领域取得突破，相关工作以“负载在氮掺杂碳上的单原子Rh：一种甲酸氧化的电催化剂”（Single-atom Rh/N-doped carbon electrocatalyst for formic acid oxidation）为题在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）发表。 燃料电池是一种理想的能量来源，它可以以环境友好的方式将化学能转换为电能。氢氧燃料电池作为航空飞船的主要燃料，在上世纪80年代就已经得到了发展，近年来氢氧燃料电池在汽车上的应用也有了突飞猛进的提高。然而氢氧燃料电池需要用体积大且危险的高压氢气作为其燃料，这限制了氢氧燃料电池的发展。而直接甲酸燃料电池(DFAFCs)由于其体积小，毒性小，nafion@膜的穿透率低等优点，被认为是未来便携式电子设备最有前途的电源之一。在之前的研究中，负载型纳米级钯和铂通常被认为是DFAFCs的阳极反应甲酸电氧化（FOR）中最有效的催化剂，并得到了深入的研究。然而，由于FOR催化剂质量活性较低和一氧化碳抗毒性较差， DFAFCs阳极材料的发展达到了一个瓶颈，极大地阻碍了其应用。 SA-Rh/CN的合成路径示意图及其表征 在本工作中，研究人员使用主-客体合成策略成功地合成负载原子分散Rh的氮掺杂碳催化剂(SA-Rh/CN)，发现尽管Rh纳米颗粒对甲酸氧化活性很低，但是SA-Rh/CN却具有极好的电催化性能。与最先进的催化剂Pd/C和Pt/C相比，SA-Rh/CN的质量活性分别提高了28倍和67倍。有趣的是，在CO剥离实验中，我们发现虽然纳米级Rh催化剂对CO毒性十分敏感，但是SA-Rh/CN很难吸附CO并且可以在很低的电压下氧化CO，这说明SA-Rh/CN对CO毒化几乎免疫。经过长期反应的测试后，SA-Rh/CN中的Rh原子具有抗烧结的能力，并因此在30000s的CA测试或者20000圈ADT测试后活性几乎没有改变。在组装电池的实验中，SA-Rh/CN的质量比能量密度在不同温度下分别是商业钯碳催化剂的8.8倍（30oC），14.8倍（60oC）和14.1倍（80oC）,这也说明了SA-Rh/CN在DFAFCs的应用中具有很高的潜力。最后，研究者用密度泛函理论（DFT）计算了Rh单原子甲酸氧化的机理。研究者发现在SA-Rh/CN上，甲酸根路线更为有利。和Rh纳米颗粒具有较低的CO吸附能垒不一样，SA-Rh/CN上的Rh单原子吸附CO能垒较高，以及与CO的相对不利的结合，使SA-Rh/CN具有极高的CO抗毒性。 这一发现将传统的甲酸电氧化催化剂的质量比活性提高了一个数量级，并且很好地解决了传统纳米催化剂的CO毒化问题。该发现有助于在燃料电池领域取得突破，并有望应用于便携式电子设备上。 本论文的通讯作者是王定胜教授、李亚栋院士，清华大学博士后熊禹是本文的第一作者。本研究受到国家自然科学基金委和科技部的经费资助。 论文链接： https://www.nature.com/articles/s41565-020-0665-x

电现象资源箱  型号：QWD1209 实验清单： 摩擦起电实验 简单电路实验 导体与绝缘体判断实验 电能的转化实验

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本团队基于电磁冶金领域二十余年的积累，掌握了铜合金领域最具挑战性的铜铬锆合金的非真空熔炼-长尺寸大卷重电磁连铸技术，开发出易偏析铜合金合金超细化与均质化连铸技术、高性能铜合金多模式定制磁场净化技术等一系列具有自主知识产权的核心技术。 一、项目分类 关键核心技术突破、显著效益成果转化 二、成果简介 本团队基于电磁冶金领域二十余年的积累，掌握了铜合金领域最具挑战性的铜铬锆合金的非真空熔炼-长尺寸大卷重电磁连铸技术，开发出易偏析铜合金合金超细化与均质化连铸技术、高性能铜合金多模式定制磁场净化技术等一系列具有自主知识产权的核心技术。相关技术应用于高强高导高弹铜合金领域如铜铬锆合金、铜镍锡合金、铜钛合金、铜碲合金及超高纯无氧铜的规模化制备等都取得较好的效果。 1）铜铬锆非真空熔炼-电磁连铸技术 由于铬、锆元素和氧的亲和力较大，所以合金元素的烧损是铜铬锆合金的熔炼必须解决的问题。本项目团队在铜合金熔炼，特别是铜铬锆合金的非真空熔炼方面，开展了近20年的研究，开发了一系列具有自主知识产权的非真空熔炼连铸技术、成分稳定控制技术、合金熔体洁净化技术等，获授权发明专利和实用新型专利近20项。本团队已在完成中试级表面光滑、内部致密无裂纹、成分均匀的全等轴晶铜铬锆棒线材，铸态宏观晶粒度经上海材料研究所测定为M-9.0级。此外，本团队从前期研究中，从塑形变形工艺和热处理工艺角度，提出采用多道次连续挤压及热处理工艺优化铜铬锆合金想性能的方法，并成功将铜铬锆棒材性能的抗拉强度提高到654MPa，断后延伸率为13.5%，且电导率还能保持在79.3%IACS；这远远高于2017年电车线用铜铬锆合金线材国家标准的性能要求：抗拉强度＞570MPa，塑性＞3%，电导率＞75%IACS。相关技术已与世界五百强新兴际华集团下属新兴发展集团有限公司达成1800万元专利转让。 2）高均质超细晶电磁连铸技术 传统连铸制备过程中多元铜合金如铜铬锆合金等常存在组织粗大、成分偏析等问题，这将会严重影响后续的材料加工过程，导致在后续的轧制，挤压等工艺过程中很容易产生轧制裂纹等缺陷。本团队开发的电磁场连铸过程易偏析合金超细化与均质化调控技术，能在连铸过程中，充分搅拌熔体，均匀化凝固前沿温度，实现易偏析合金的超细化与均质化。该技术已被应用于铜镍锡合金的连铸中，实现了该合金连铸制备的超细化和均质化，所制备全等轴晶铜镍锡合金铸态组织宏观晶粒度达到M-10.0级。目前该技术已实现中试级百米长度的连续电磁铸造，且已与宁波博威、上海中船重工711研究所、铜陵金威、温州元鼎等开展合作。进一步将该技术推广于铜碲、铜铁、铜钛的连铸，均取得了极为优异的细晶、表面光洁、成分均匀的连铸效果。 3）超高纯无氧铜电磁连铸技术 金属材料纯净度是提高其力学和电学等综合性能的关键因素，是制备高品质金属材料的关键环节。高端金属材料中夹杂物和气泡对材料性能影响巨大，许多高端金属材料的开发都取决于这类缺陷的控制水平。本团队参与开发的金属连铸多模式定制磁场净化技术，已成功应用于高纯高导无氧铜材料的制备，可将铜中氧含量中降低3ppm以下，达到目前世界无氧铜的最高标准——美国ASTM≤3ppm。与此同时，该高纯无氧铜的电导率高达100.1%IACS，目前已全面取代进口并用于我国兰州重离子加速器、散裂中子源大科学装置、美国Michigan大学FRIB装置等重大科学装置建设。该项技术已获得2015年度上海市技术发明一等奖，2015年度教育部自然科学二等奖，2015年度教育部技术进步二等奖等奖项。目前该技术已与福建紫金铜业、上海上大众鑫科技发展有限公司、宁波兴业、宁波金田等开展深入合作。

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基于MDE具有明确活性中心结构的特点，团队进一步结合原位/在线X射线吸收光谱和理论计算深入揭示了取代基调控催化剂性能的机理（图3）。研究团队发现，NiPc MDEs的CO2还原起峰电位与Ni中心的部分还原紧密相关，而不简单取决于理论计算中的反应能垒。氰基（CN）取代可以使分子更容易被还原，因此具有更正的起峰电位。此外，OMe取代可以提高催化过程中Ni-N键强度并促进CO中间体脱附，从而提高催化剂稳定性。

Ti3C2Tx-MXene是一种新型的二维纳米材料，该材料具有良好的金属导电性、亲水性、大比表面积及丰富的表面修饰基团等优点被广泛应用在催化、电化学传感领域。