超薄二维材料光/电催化CO2还原的最新进展

能源短缺和环境污染是全人类面临的巨大挑战,对化石燃料的过度依赖使CO₂的排放量急剧增加,如何将过量的温室气体通过清洁的方式转变为燃料或其他高值化学品,已成为全球范围内的研究热点和难点。在过去几十年的研究中,通过太阳能和电化学方法来还原CO₂被证明是十分清洁有效的方法,可以有效降低全球碳足迹,实现化石资源的高效利用。近几年来,超薄二维材料（诸如水滑石、氧化物、钙钛矿等）在催化领域的卓越性能引起了人们的广泛关注,其电子结构存在更多的调变可能,并且可以通过修饰其表面,使其在更多催化反应中发挥作用。本文总结了近几年来超薄二维材料在光催化和电催化还原CO₂的前沿进展,并总结其调变规律,为设计高效光、电催化剂提供参考。     

二维铁卟啉石墨炔的合成及其氧还原电催化性能的研究

石墨炔缺乏高活性位点使其在电催化方面表现出较低活性,难以发挥其化学结构的优势.因此,为了提高石墨炔材料的电催化活性,设计合成了一种基于铁卟啉的石墨炔纳米片.通过第一性原理计算、X射线衍射、透射电子显微镜及电化学测试等手段对铁卟啉基石墨炔材料的物理与化学性质进行预测和表征.结果表明,铁中心位点具有较高的电催化活性,结合卟...     

二维铂金催化氧还原反应的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT),通过计算研究了二维铂金进行氧还原催化反应时因表面吸附上氧原子而出现的晶格扩张应变,该应变大小与二维铂金厚度成反比,与氧原子的表面覆盖率成正比。之后研究了晶格扩张应变对二维铂金催化氧还原反应(ORR)的促进效应,通过计算不同厚度的二维铂金的表面原子d带中心,证明了二维铂金在高覆盖率下的吸附氧原子的效果要远好于三维块体铂金。     

密度泛函理论计算在荧光材料研究中的应用

密度泛函理论是一种基于量子力学原理的电子结构计算方法,已经成为材料科学和化学领域中重要的计算工具之一。在荧光材料研究中,密度泛函理论计算可以确定晶体结构,计算材料的的能带结构、态密度等信息来帮助研究人员理解荧光材料的本质和特性,为材料的设计和优化提供依据,同时基于密度泛函理论计算的高通量计算可以快速评估大量材料的性质,加快新材料的开发过程,降低研究成本。本文介绍了密度泛函理论计算在荧光材料研究中的应用,并探讨了其未来发展前景。     

二维NiFe-Nx-C催化剂的制备及电催化二氧化碳还原性能研究

为降低碳基催化剂Ni-N位点上CO₂的活化能垒,并解决Fe-N位点上的CO中毒问题,以NaCl为模板,采用限制溶剂生长和热解法合成了具有NiFe-N_x双活性位点的超薄二维碳基催化剂(ZNF-900)。结果显示：ZNF-900具有超高的电催化CO₂还原生成CO的选择性(FE_CO>97%)和电流密度(j_CO=37.3 mA·cm^-2)。通过XPS、Raman等表征和EIS、Tafel斜率等电化学分析方法,证明Ni和Fe之间存在协同促进作用,从而促进了催化剂表面CO₂分子的吸附和CO产物的脱附。     

碳基材料电催化合成氨的研究进展

氨作为重要的肥料和能源载体,传统合成方法(如哈伯-博斯工艺)的高能耗和二氧化碳排放问题促使人们寻求更环保、低能耗的替代方法。电化学氮还原反应(ENRR)被认为是一种有前景的方法。然而,ENRR仍面临着一些挑战,包括催化剂的产率和法拉第效率(FE)受到析氢反应(HER)和氮还原反应(NRR)竞争的影响。近期的研究集中在改进电催化剂以提高其活性和选择性。本文结合电催化机理,综述了碳基材料在NRR反应的研究现状,为寻找更高效、更环保的氨合成方法提供了重要的指导和启示,有望为未来的ENRR研究和环境友好型氨生产的发展奠定基础。     

电催化还原CO2研究进展

用于还原二氧化碳(CO₂)获得低碳燃料,包括CO,HCOOH/HCOO^-,CH₂O,CH₄,H₂C₂O₄/HC₂O^-₄,C₂H₄,CH₃OH,CH₃CH₂OH等的电催化剂的最新进展。电催化剂主要分为金属、金属合金、金属氧化物、金属络合物、聚合物/簇、酶和有机分子等。主要分析了实现高活性和高稳定性电催化还原CO₂所面临的挑战,并提出了几个实际应用的研究方向,旨在克服出现的挑战,促进该领域的研究和开发。     

纳米材料电催化还原CO2研究进展

二氧化碳(CO2)是造成温室效应最主要的温室气体.CO2被排放到空气中,既破坏了环境,又浪费了宝贵的碳资源,把CO2存储及资源化回收转化可对其进行有效利用.电化学还原的实质就是利用电子的得失来实现CO2的还原.作为电化学还原的电极材料,纳米材料具有很高的比表面积和表面正电性可作为高活性的催化剂和气体吸附剂.纳米粒子尺寸...     

二维硫化锌材料的制备及其研究进展

硫化锌是一种重要的宽带隙半导体材料,因其特殊的光电性质已引起制备领域的关注。目前对二维硫化锌的综述未见报道。综述了近5年来制备二维ZnS材料的气相法、液相法和固相法,分析比较了合成方法的优缺点,并对二维ZnS的制备提出了几点展望。     

电催化氮气还原合成氨催化材料研究进展

氨是纺织、制药、化肥等领域重要的化工原料,也是一种清洁的能源载体,需求量大。目前氨的工业生产主要为Haber-Bosch法,反应条件严苛,能源消耗大且碳排放较高。电催化氮气还原(NRR)合成氨是一种在常温常压下进行的反应,工作电位低,且电能可通过清洁能源提供,是一种很有潜力的合成氨新工艺。但目前电催化NRR材料的产氨速率和法拉第效率低、工作稳定性不够高、溶液中痕量氨的定量检测困难及检测标准不统一等都为其发展带来了巨大挑战。本文首先介绍了电催化NRR的反应机理和常用研究方法,然后重点梳理了2019年以来NRR催化材料的最新研究进展,最后对该领域研究面临的挑战和机遇进行了展望。     

电催化固氮的研究进展与挑战

氨是一种重要的化工原料,主要通过传统Haber-Bosch工艺制备,该工艺有一定局限性,如耗能高,污染大,对环境造成较大影响。以氮气为原料,在常温、常压下合成氨气是目前化学领域的研究热点之一。分析几种产氨方法,其中电催化还原氮气产氨具有良好的应用前景。介绍电还原产氨原理及目前较为常用的电催化剂贵金属催化剂、非贵金属-金属催化剂和非金属催化剂,并对目前该领域遇到的挑战进行总结。     

Experimental and Theoretical Study of N2 Adsorption on Hydrogenated Y2C4H− and Dehydrogenated Y2C4− Cluster Anions at Room Temperature

The adsorption of atmospheric dinitrogen (N₂) on transition metal sites is an important topic in chemistry, which is regarded as the prerequisite for the activation of robust N≡N bonds in biological and industrial fields. Metal hydride bonds play an important part in the adsorption of N₂, while the role of hydrogen has not been comprehensively studied. Herein, we report the N₂ adsorption on the well-defined Y₂C₄H_0,1⁻ cluster anions under mild conditions by using mass spectrometry and density functional theory calculations. The mass spectrometry results reveal that the reactivity of N₂ adsorption on Y₂C₄H⁻ is 50 times higher than that on Y₂C₄⁻ clusters. Further analysis reveals the important role of the H atom: (1) the presence of the H atom modifies the charge distribution of the Y₂C₄H⁻ anion; (2) the approach of N₂ to Y₂C₄H⁻ is more favorable kinetically compared to that to Y₂C₄⁻; and (3) a natural charge analysis shows that two Y atoms and one Y atom are the major electron donors in the Y₂C₄⁻ and Y₂C₄H⁻ anion clusters, respectively. This work provides new clues to the rational design of TM-based catalysts by efficiently doping hydrogen atoms to modulate the reactivity towards N₂.     

Multifunctional graphene‐based nanostructures for efficient electrocatalytic reduction of oxygen

Graphene derivatives have been used extensively as a functional support for nanoparticle catalysts in diverse applications, in particular, oxygen reduction reactions (ORR) at fuel cell cathodes. This review summarizes recent progress in this area of research, where the catalytic performance is evaluated within the context of stabilization of metal nanoparticles against sintering/aggregation and metal–substrate interactions that manipulate the electronic properties of metal nanoparticles and hence the bonding interactions with reaction intermediates. Also discussed are the latest breakthroughs of heteroatom‐doped graphene derivatives as effective metal‐free catalysts for oxygen reduction. In addition, the review includes a perspective on the development of effective ORR catalysts with a focus on a further understanding of the ORR mechanism as well as on other two‐dimensional layered nanostructures such as MoS₂ that have been observed to exhibit electrocatalytic activity for oxygen reduction. Leading mechanistic models are discussed to account for the electrocatalytic activity. © 2015 Society of Chemical Industry     

生物油电催化加氢提质技术研究进展

生物油是一种可再生的碳中和有机资源,在液体燃料和高值化学品生产中显示出较大的潜力,对其大规模利用有助于实现碳中和目标。生物油因其固有的腐蚀性和化学不稳定性而需要提质以提高其应用价值。电催化加氢能够在常温常压下实现生物油加氢提质,该方法反应条件温和、操作简单、能源效率高,具有碳中和属性,为生物油提质提供了新的选择。综述了近年来生物油电催化加氢的研究进展,分析了不同生物油模型化合物在电催化加氢过程中的作用机理。讨论了真实生物油样品的电催化加氢实例,以证明电催化应用于生物油提质的可行性。最后,针对生物油电催化加氢提质技术面临的困难和挑战,提出了该领域未来的研究方向和重点,并展望了生物油电催化加氢提质工业化应用的前景。     

电催化氮还原合成氨电化学系统研究进展

氨是化肥、涂料等领域中重要的化工原料,是产量第二高的商用化学品。目前,90%以上的氨均来自Haber-Bosch法,该工艺需要高温、高压条件,能耗较高,且依赖化石燃料的使用,产生大量CO₂排放,在倡导节能环保的新时代下,该工艺面临严重的能耗及环保问题。电催化氮还原合成氨工艺是一种采用电能驱动的节能工艺,且原料为绿色环保的H₂O和N₂,其有望替代传统合成氨工艺。但是目前该工艺存在一些技术难点有待突破,使其产氨速率、法拉第效率等性能不高,距离商用化生产差距较大。分析总结了该工艺的技术难点,围绕该领域的优化策略,重点综述了针对合成氨电化学系统的改进措施,以及近几年文献报道的研究进展,最后对该领域的未来发展进行展望。     

对苯二甲酸乙二醇酯二聚体水/醇/氨解机理的理论研究

采用密度泛函理论B3P86/6⁃31++G（d,p）方法对对苯二甲酸乙二醇酯二聚体的水/醇/氨解反应机理进行了理论研究。设计了水/醇/氨降解过程的各种可能反应路径,对参与反应的各种中间体、过渡态及产物进行了几何结构优化和频率计算以获得热力学与动力学参数值,分析了对苯二甲酸乙二醇酯二聚体主链酯键中的酰氧键位置水/醇/氨降解的反应机理。结果表明,水/醇/氨解能够降低对苯二甲酸乙二醇酯二聚体主链酯键中的酰氧键裂解的反应活化能,使反应更易于进行,其中水解中主要基元反应步的反应能垒最高约为169.0 kJ/mol,氨解最低约为153.0 kJ/mol,其次是醇解约为155.0 kJ/mol。     

不同操作参数下介质阻挡放电的固氮性能研究及机理分析

介质阻挡放电(DBD)是一种典型的低温气体放电等离子体手段,能够在温和的条件下产生大面积的放电等离子体从而进行固氮,具有绿色环保、高效节能等特点。然而目前DBD的固氮能耗偏高,有着相当大的优化空间。探究了调控电压与气流量对DBD固氮性能的影响,以液相固氮的形式考察了总氮浓度TNC和固氮能耗EC的变化情况,并通过分析DBD气相产物变化规律揭示了DBD固氮的反应机理。研究发现,不同条件下的DBD气相产物会处于臭氧模式、过渡模式和氮氧化物模式三种模式之一,而各实验条件下的EC最小值均处于过渡模式,分析其原因在于该模式下可以有效生成NO₂和N₂O₅,提升可溶性氮的占比进而促进了固氮效果。EC的最小值在电压为18 kV、气流量为8 L/min时取得,为31.69 MJ/mol。     

不同操作参数下介质阻挡放电的固氮性能研究及机理分析

介质阻挡放电(DBD)是一种典型的低温气体放电等离子体手段,能够在温和的条件下产生大面积的放电等离子体从而进行固氮,具有绿色环保、高效节能等特点。然而目前DBD的固氮能耗偏高,有着相当大的优化空间。探究了调控电压与气流量对DBD固氮性能的影响,以液相固氮的形式考察了总氮浓度TNC和固氮能耗EC的变化情况,并通过分析DBD气相产物变化规律揭示了DBD固氮的反应机理。研究发现,不同条件下的DBD气相产物会处于臭氧模式、过渡模式和氮氧化物模式三种模式之一,而各实验条件下的EC最小值均处于过渡模式,分析其原因在于该模式下可以有效生成NO₂和N₂O₅,提升可溶性氮的占比进而促进了固氮效果。EC的最小值在电压为18 kV、气流量为8 L/min时取得,为31.69 MJ/mol。