催化材料前沿最新研究成果精選

 

　　

 

 

 

　　儲(chǔ)量充足的鋁在等離子體應(yīng)用中可作為金和銀的替代品。鋁納米晶體是一種前景良好的等離子體光催化劑，與催化性的金屬或氧化物復(fù)合形成“天線(xiàn)-反應(yīng)器”異質(zhì)結(jié)構(gòu)后效果更好。近日，美國(guó)萊斯大學(xué)Emilie Ringe教授、Naomi J. Halas 教授和英國(guó)劍橋大學(xué)Rowan K. Leary 教授(共同通訊作者)等利用簡(jiǎn)單的多元醇合成路線(xiàn)制備了八種尺寸可調(diào)的過(guò)渡金屬納米島修飾的鋁納米晶體，其中大部分可作為異相催化劑。用掃描透射電子顯微鏡和電子斷層掃描對(duì)高分辨三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，單個(gè)納米島尺寸范圍可以達(dá)到幾納米，與其他納米島間隔較近。與鋁納米晶體等離子體天線(xiàn)時(shí)復(fù)合后，上述納米島增強(qiáng)了光吸收并成為強(qiáng)烈的反應(yīng)熱點(diǎn)。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： Transition-Metal Decorated Aluminum Nanocrystals (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04960)

 

　　2. ACS Nano：碳納米管內(nèi)在手性起源

 

　　

 

 

 

　　進(jìn)一步發(fā)掘碳納米管潛力的關(guān)鍵在于闡明其手性起源。目前流行的理論認(rèn)為催化劑結(jié)構(gòu)通過(guò)外延關(guān)系產(chǎn)生手性。本田研究所美國(guó)公司Avetik R. Harutyunyan 研究員(通訊作者)等研究生長(zhǎng)于漂浮液體鎵滴的碳納米管手性豐度(不考慮催化劑特性的影響)并與生長(zhǎng)在固體Ru納米顆粒的碳納米管手性豐度進(jìn)行比較。作者認(rèn)為碳納米管的手性一般是碳簇內(nèi)在傾向和催化劑結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)構(gòu)建復(fù)雜的納米管生長(zhǎng)理論提供一定幫助，也為通過(guò)液體催化劑滴手性?xún)?yōu)先合成碳納米管奠定了基礎(chǔ)。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： Intrinsic Chirality Origination in Carbon Nanotubes (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03957)

 

　　3. ACS Nano：微波增強(qiáng)納米金屬自催化生長(zhǎng)

 

　　

 

 

 

　　微波(MW)合成作為一種綠色、可持續(xù)發(fā)展的材料制備方法，吸引了眾多研究人員的關(guān)注。對(duì)于微波驅(qū)動(dòng)反應(yīng)提升形成率以及改善質(zhì)量的報(bào)道十分誘人，但更應(yīng)關(guān)注反應(yīng)機(jī)理和耦合到微波場(chǎng)后上述現(xiàn)象如何產(chǎn)生。美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)Geoffrey F. Strouse教授(通訊作者)等首先利用光譜方法分析微波中金屬納米粒子(NPs)的生長(zhǎng)，并與NP自催化生長(zhǎng)的經(jīng)典方法進(jìn)行比較，進(jìn)而闡明所觀(guān)察到的微波場(chǎng)中制備金屬NPs的增強(qiáng)生長(zhǎng)行為的基礎(chǔ)。研究明確表明微波生長(zhǎng)以自催化機(jī)理為模型，繼而引發(fā)了納米材料文獻(xiàn)中廣泛報(bào)道的形成率提升以及質(zhì)量改善。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： Microwave Enhancement of Autocatalytic Growth of Nanometals (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04040)

 

　　4. Adv. Energy Mater.：具有異質(zhì)界面的鈀納米粒子負(fù)載銳鈦礦TiO2-黑磷復(fù)合材料：用于乙醇電催化氧化的高電催化活性和耐久性催化劑

 

　　

 

 

 

　　設(shè)計(jì)具有增強(qiáng)乙醇氧化反應(yīng)(EOR)活性的高性能鈀(Pd)基底一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。上海電力學(xué)院閔宇霖教授、徐群杰教授、范金辰副教授(共同通訊作者)等制備了一種新型銳鈦礦TiO2納米片-黑磷(ATN-BP)復(fù)合作為Pd納米粒子的基底，并將其用于EOR。在氬氣保護(hù)下，將BP納米片與ATN直接球磨形成ATN-BP復(fù)合材料，其中BP 納米片與碎裂ATN的通過(guò)P—O—Ti鍵互聯(lián)。ATN-BP結(jié)構(gòu)不僅有利于改善電解質(zhì)滲透和電子運(yùn)輸，對(duì)通過(guò)Pd和ATN-BP之間的協(xié)同互動(dòng)剝離活性中間體也有很強(qiáng)的影響。結(jié)果表明具有Pd、BP和ATN的異質(zhì)界面的Pd/ATN-BP復(fù)合材料展示出超高的電催化活性和耐久性。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： Palladium Nanoparticles Anchored on Anatase Titanium Dioxide-Black Phosphorus Hybrids with Heterointerfaces: Highly Electroactive and Durable Catalysts for Ethanol Electrooxidation (Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701799)

 

　　5. Adv. Energy Mater.：通過(guò)熱電材料調(diào)節(jié)CO2氫化催化性能

 

　　

 

 

 

　　熱電(TE)材料最近吸引了廣泛的研究興趣。當(dāng)前使用的TE材料大多數(shù)為重金屬基材料，如Bi2Te3、PbTe等。然而，上述材料并不適合作為介質(zhì)在高溫下大規(guī)模應(yīng)用，因?yàn)槠淙埸c(diǎn)、分解或氧化溫度較低。英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)Zhaorong Huang(通訊作者)等創(chuàng)新性的將熱電材料BiCuSeO作為基底促進(jìn)催化二氧化碳加氫。熱電材料具有移動(dòng)催化劑的費(fèi)米能級(jí)和功函數(shù)的能力，使得沉積在其表面的催化劑粒子的催化活性成指數(shù)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2轉(zhuǎn)化率和選擇性顯著增加與熱電的塞貝克電壓有關(guān)。這表明熱電效應(yīng)不僅增加反應(yīng)速率，還可以使化學(xué)平衡移動(dòng)，導(dǎo)致加氫反應(yīng)中的CO2轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)平衡變化。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： Tuning of Catalytic Activity by Thermoelectric Materials for Carbon Dioxide Hydrogenation (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701430)

 

　　6. Adv. Funct. Mater.：用于HER、OER、ORR和鋅-空氣電池的多功能Mo–N/C@MoS2電催化劑

 

　　

 

 

 

　　以廉價(jià)、穩(wěn)定、高效的電催化劑替代貴金屬鉑催化劑在大規(guī)模清潔能源器件的應(yīng)用中具有巨大的潛力。金屬有機(jī)框架(MOFs)和金屬硫化物(MDs)由于其超高表面積、分層孔隙結(jié)構(gòu)和高催化活性，為高活性電催化劑的設(shè)計(jì)提供了廣闊的平臺(tái)。武漢理工大學(xué)木士春教授(通訊作者)等制備了基于MoS2納米片垂直包覆具有界面 Mo–N偶合中心的Mo–N/C框架的復(fù)合電催化劑。上述復(fù)合材料在析氫反應(yīng)(HER)、析氧反應(yīng)(OER)以及氧還原反應(yīng)(ORR)中表現(xiàn)出良好的電催化活性和穩(wěn)定性，是一種多功能電催化劑。有趣的是，該電催化劑作為鋅-空氣電池的陰極也展示出較高的性能。優(yōu)異的電化學(xué)活性應(yīng)歸因于不同的化學(xué)成分之間的協(xié)同效應(yīng)、獨(dú)特的三相活躍位點(diǎn)以及分層孔隙框架帶來(lái)的快速質(zhì)量運(yùn)輸。該工作有望為設(shè)計(jì)用于電化學(xué)能源器件的領(lǐng)先高效MOF/MD基復(fù)合電催化劑提供啟發(fā)。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Multifunctional Mo–N/C@MoS2 Electrocatalysts for HER, OER, ORR, and Zn-Air Batteries (Adv. Funct. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702300)

 

　　7. Adv. Funct. Mater.：具有增強(qiáng)光電效應(yīng)的有序超顆粒

 

　　

 

 

 

　　納米晶體表面一般利用絕緣有機(jī)配體鈍化，但有機(jī)配體阻礙了自組裝納米粒子相鄰模塊之間的電子傳遞。配體切除或交換是一種促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移的可行策略，但通常表面狀態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致性能下降或不可控的團(tuán)聚。中科院化學(xué)所王鐵教授(通訊作者)等利用熱控制乳液基自組裝方法制備了具有界限清晰超晶格域的3D超緊超粒子。超粒子中的粒子間距縮小至約0.3 nm，因?yàn)橛袡C(jī)配體匍匐于納米顆粒表面，足以克服電子轉(zhuǎn)移的障礙。有序緊致的超結(jié)構(gòu)促進(jìn)了CdSSe量子點(diǎn)(QDs)之間的耦合和電子能量傳遞。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： Ordered Superparticles with an Enhanced Photoelectric Effect by Sub-Nanometer Interparticle Distance (Adv. Funct. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701982)

 

　　8. Energy Environ. Sci.：MoS2/TiO2等離子體光催化劑在高效制氫中的應(yīng)用

 

　　

 

 

 

　　近日，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)楊陽(yáng)教授和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室杜英歌高級(jí)研究員(共同通訊作者)等利用電化學(xué)腐蝕的方法制備出有序排列的TiO2納米管陣列薄膜，之后在TiO2納米管內(nèi)表面均勻生長(zhǎng)出多層硫化鉬(MoS2)納米片，并將其應(yīng)用于太陽(yáng)光分解水制氫中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算證明MoS2中的硫缺陷是造成該材料具有可見(jiàn)光吸收的原因，結(jié)合TiO2的紫外光吸收和MoS2本身的近紅外光吸收，制備出一種具備寬光譜吸收的催化劑。TiO2納米管陣列不僅起到吸收紫外光的作用，同時(shí)作為MoS2催化劑的基底，從而提高太陽(yáng)光的利用效率和光催化過(guò)程的穩(wěn)定性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明上述催化劑可實(shí)現(xiàn)分解海水制氫。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： MoS2/TiO2 heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02464a)

 

　　9. Energy Environ. Sci.：通過(guò)等離子體合成低含量貴金屬的W1-xIrxO3-δ水氧化電催化劑

 

　　

 

 

 

　　利用可再生的電能分解水可能是最有希望可持續(xù)生產(chǎn)氫氣的途徑之一。目前商業(yè)化的水氧化催化劑仍主要依賴(lài)昂貴和稀有的貴金屬氧化物。美國(guó)路易斯威爾大學(xué)Joshua M. Spurgeon (通訊作者)利用儲(chǔ)量豐富的鎢作為結(jié)構(gòu)金屬來(lái)減少貴金屬銥的使用，同時(shí)仍保持了較高的活性和穩(wěn)定性。隨著金屬I(mǎi)r含量低至1%，析氧的過(guò)電勢(shì)已具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。相比Ir含量較高時(shí)，含量低時(shí)高結(jié)晶度、純相的銥多鎢酸鹽催化活性更佳。此外，等離子體法合成材料的電催化性能相比通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的熱氧化合成材料大幅提高，展示出非平衡合成對(duì)于發(fā)現(xiàn)新型催化劑的意義。

 

　　文獻(xiàn)鏈接： A low-noble-metal W1-xIrxO3-δ water oxidation electrocatalyst for acidic media via rapid plasma synthesis (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02626a)

 

　　10. Nano Energy：組成可調(diào)的Au-Pt雙金屬薄膜用于電催化還原CO2

 

　　

 

 

 

　　Au電催化劑可將CO2還原為CO，然而Au的催化活性仍然受到CO2活化的限制。相反，Pt可將CO2活化并轉(zhuǎn)換成吸附態(tài)CO。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Wilson A. Smith (通訊作者)等首次探究了具有可控組成和平面形態(tài)的Au-Pt雙金屬薄膜的電催化還原 CO2性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論系統(tǒng)性研究了二元催化劑組成的對(duì)還原CO2催化活性和選擇性的影響機(jī)制，主要產(chǎn)物的形成(H2和CO)與表面成分的變化密切相關(guān)，而HCOOH的形成發(fā)生在較低的電位，產(chǎn)量顯著提高。因此，兩種金屬的表面組成和雙金屬協(xié)同作用都有助于Au-Pt 電催化劑還原CO2的整體性能提升。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Electrochemical Reduction of CO2 on Compositionally Variant Au-Pt Bimetallic Thin Films (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.043)

 

　　11. Nature Energy：向Co納米片中引入N原子以提高CO2氫化活性

 

　　

 

 

 

　　將CO2加氫轉(zhuǎn)化為燃料和有用的化學(xué)物質(zhì)有助于降低對(duì)化石燃料的依賴(lài)。在過(guò)去的幾十年中，雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，提高CO2加氫催化劑的活性、發(fā)展基于非貴金屬的高效催化劑仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授(通訊作者)等將N原子引入鈷納米片以提高CO2氫化活性。Co4N 納米片在CO2氫化反應(yīng)中的反轉(zhuǎn)頻率為25.6 h-1，是Co 納米片的64倍。Co4N納米片的活化能為43.3 kJ·mol-1，不到鈷納米片的一半。機(jī)理研究顯示，Co4N納米片轉(zhuǎn)化為Co4NHx，其中氨基氫原子直接與CO2形成HCOO*中間體。此外，吸附的H2O*通過(guò)氫鍵的相互作用活化氨基氫原子。

 

　　文獻(xiàn)鏈接：Incorporating nitrogen atoms into cobalt nanosheets as a strategy to boost catalytic activity toward CO2 hydrogenation (Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/s41560-017-0015-x)