水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

水滑石前体法制备金属催化材料的研究进展

金属催化剂是现代石油化工、煤化工以及精细化工等重要化工生产领域广泛使用的一类重要催化剂.水滑石(LDHs)是一类典型的阴离子黏土材料,其独特的组成、结构可调性,以及拓扑转变的性质使其成为一类优秀的金属催化剂前体材料.本文提出了LDHs基金属催化剂的内源和外源构筑法的思想,综述了LDHs基金属催化剂的制备方法,探讨了LDHs基金属催化剂制备规律和催化性能,并进一步讨论了LDHs材料在该领域面临的挑战和发展趋势.     

基于二维结构效应的高分散负载金属催化剂

负载型金属催化剂是煤化工、石油化工以及精细化工等领域应用最为广泛的催化剂.层状复合金属氢氧化物(LDHs)是一类具有典型层状结构的二维纳米材料,由于其组成的可调控性以及独特的二维结构效应,以LDHs材料作为前驱体和载体在制备活性位高分散的金属催化剂方面表现出显著的优势.本文重点综述了基于LDHs层板网阱限域效应和层间几何限域效应构筑高分散负载型金属催化剂的最新进展,探讨了LDHs基负载型金属催化剂在重要反应中的构效关系,并介绍了该类催化剂的工业实践情况.     

水滑石基负载型催化剂的制备及其在催化反应中的应用

负载型催化剂作为一类重要工业催化剂,广泛应用于合成氨工业、能源化工和精细化工等重要的工业生产过程.水滑石（LDHs）是一类阴离子型二维层状无机功能材料,其具有层板元素比例可调、金属阳离子高分散和结构拓扑转变等特性,在多相催化中,其作为负载型催化剂的前体或者载体具有广阔的应用前景.总结了以LDHs或其拓扑转变得到的复合金属氧化物（MMO）作为催化剂载体,以LDHs作为催化剂前体,制备高性能的负载型单金属或双金属催化剂,聚焦于其在电催化、氧化脱氢、选择性加氢和合成气转化反应中的最新研究进展.最后,进一步讨论了LDHs基负载型催化剂未来的发展趋势以及面临的挑战,并提出了解决这些问题的有效方案.     

水滑石衍生的复合氧化物催化氧化挥发性有机气体的研究进展（英文）

挥发性有机化合物(VOCs)是大气颗粒污染物(PM2.5)和臭氧污染的主要前体物,来源于工业活动(如溶剂使用过程)、汽车尾气以及植物排放等,具有毒性,对人类和自然生命产生危害.催化氧化技术是在催化剂表面,在较低的操作温度(200-450℃)下,将VOCs非均相催化氧化成CO2和H2O,是一种最为有效的分解VOCs的方法,具有副产物少,能耗低的优点.VOCs分解用催化剂主要分为贵金属和金属氧化物两大类.贵金属催化剂活性高,但价格昂贵.因此科研工作者一直在诸多方面调控过渡金属氧化物,例如制备方法、组分协同、结构缺陷等,期望获得高活性、低成本的催化剂.水滑石(LDHs)是一种层状双金属氢氧化物,由带正电荷的金属氢氧化物层板和层间阴离子组成,可以表示为[M1-x^2+Mx^3+(OH)2](An-)x/n·mH2O.鉴于LDHs特有的结构特点,层板元素可调、比例可调等,其在一定温度下煅烧可以得到过渡金属复合氧化物(MMO)材料.由于LDHs的拓扑焙烧转变得到的MMO材料显示出许多利于多相催化反应的优点,如大表面积和多孔性、高热稳定性、良好的金属氧化物分散性等.水滑石基催化材料用于VOCs催化分解也引起了科研工作者的持续关注和研究,文献大多选择苯、甲苯、乙酸乙酯等工业活动中常用的挥发性有机溶剂作为探针分子来评估催化剂的活性、稳定性等参数.本综述将LDHs衍生的VOCs降解催化剂分为4类,整理了其近10年的研究进展:(1)含过渡金属的LDHs焙烧转变成MMO催化剂:系统论述了层板元素组成、层板元素比例、焙烧温度、制备方法等条件对催化活性的影响规律,阐明了不同处理条件下催化剂的物理化学特性(比表面积、孔结构、表面元素价态、氧缺陷、还原性)与催化活性的关联;(2)贵金属/MMO催化剂:比较了贵金属种类、LDHs载体种类、负载方式等因素对催化活性的影响规律,总结了贵金属负载在LDHs载体的优势;(3)核壳型MMO催化剂:分析了在氧化铝球、MOF等载体上原位负载LDHs的方法构筑多级结构的MMO催化剂,利于促进VOCs分解活性;(4)整体型MMO催化剂:满足VOCs分解实际应用,提出铝片基底上原位生长-煅烧制备高活性位点暴露的整体式催化剂的优点.在催化活性基础上着重介绍了水蒸气对活性的影响以及VOCs分解催化机理.同时提出了3点仍需努力的方向:LDHs向MMO拓扑转变机制认识不足;LDHs衍生的催化剂的VOCs分解机制研究不深入;催化剂活性降低-再生研究不透彻.     

基于层状前驱体制备活性位高分散催化材料

综述了近年来以层状双金属氢氧化物(LDHs)为前躯体制备高分散催化剂的研究进展,基于LDHs层板金属阳离子以原子水平高度分散及层间阴离子以一定方式有序排布的结构特点,以LDHs材料作为单一前驱体,经层板剥离、晶格限域、插层组装及阵列化等途径制备催化活性位高度分散的多相催化材料具有显著的优势.     

LDHs/碳复合纳米材料的催化性能研究进展

层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类典型的结构可调的阴离子层状功能材料,直接或经焙烧、还原处理后可作为高活性、高稳定性、廉价的催化剂或催化剂载体应用到催化领域.碳纳米材料自身良好的力学、电学、化学性质使其可作为理想的功能组元构筑LDHs/碳复合纳米材料,进而增强催化性能.本文综述了由LDHs与碳材料构筑的复合纳米催化材料的设计、可控制备及其在电催化、光催化、催化加氢及氧化等多相催化领域的应用进展,并从材料的可控制备及应用方面讨论了LDHs/碳复合纳米材料在多相催化领域面临的挑战与发展前景.     

常温常压湿式催化氧化染料废水的Mo-Cu-Fe-O新型复合催化材料

染料广泛应用于纺织厂、皮革厂以及染发等各个领域.染料废水具有成分复杂、浓度高、色度大和生物难降解等特性,因此传统的处理方法难以将其完全降解.高级氧化技术已成为国内外广泛应用的染料废水处理技术之一,特别是湿式催化氧化(CWAO)技术.然而,CWAO工艺中反应往往需要高温(通常为200-280℃)和高压(通常为2-9 MPa),制约了其广泛应用.因此,人们致力于研发具有高催化活性的催化剂,通过改变反应历程和降低反应的活化能,使反应在常温常压条件下进行.本课题组曾采用钼酸盐浸渍于Zn/Al LDHs溶液中成功制备了Mo/Zn-Al LDHs催化剂,该催化剂能在常温常压下湿式催化氧化降解阳离子红GTL有机废水.Mo/Zn-Al LDHs催化剂中Mo作为主催化成分,Zn-Al LDHs作为载体.Cu-Fe LDHs本身作为一种催化剂,与Mo相结合能有效提高催化剂的活性及稳定性,因此本文采用浸渍法制备了Mo-Cu-Fe-O新型复合催化材料,采用X射线衍射、氢气程序升温还原、循环伏安法和氧气程序升温脱附等表征手段研究了Mo-Cu-Fe-O材料的结构及氧化还原特性.以阳离子红GTL、结晶紫和酸性红为染料废水代表,研究了常温常压下Mo-Cu-Fe-O催化降解染料废水的催化活性.结果表明,在中性条件下Mo-Cu-Fe-O对阳离子型染料废水具有良好的催化活性.循环使用七次后该样品对阳离子红GTL和酸性红的脱色率分别达到91.5%和92.8%,然而对酸性红阴离子型染料废水基本无催化活性.在常温常压CWAO过程中产生的羟基自由基能有效降解阳离子GTL废水,其废水毒性随着反应的进行逐渐减小.     

常温常压湿式催化氧化染料废水的Mo-Cu-Fe-O新型复合催化材料（英文）

染料广泛应用于纺织厂、皮革厂以及染发等各个领域.染料废水具有成分复杂、浓度高、色度大和生物难降解等特性,因此传统的处理方法难以将其完全降解.高级氧化技术已成为国内外广泛应用的染料废水处理技术之一,特别是湿式催化氧化(CWAO)技术.然而,CWAO工艺中反应往往需要高温(通常为200-280°C)和高压(通常为2-9 MPa),制约了其广泛应用.因此,人们致力于研发具有高催化活性的催化剂,通过改变反应历程和降低反应的活化能,使反应在常温常压条件下进行.本课题组曾采用钼酸盐浸渍于Zn/Al LDHs溶液中成功制备了Mo/Zn-Al LDHs催化剂,该催化剂能在常温常压下湿式催化氧化降解阳离子红GTL有机废水.Mo/Zn-Al LDHs催化剂中Mo作为主催化成分,Zn-Al LDHs作为载体.Cu-Fe LDHs本身作为一种催化剂,与Mo相结合能有效提高催化剂的活性及稳定性,因此本文采用浸渍法制备了Mo-Cu-Fe-O新型复合催化材料,采用X射线衍射、氢气程序升温还原、循环伏安法和氧气程序升温脱附等表征手段研究了Mo-Cu-Fe-O材料的结构及氧化还原特性.以阳离子红GTL、结晶紫和酸性红为染料废水代表,研究了常温常压下Mo-Cu-Fe-O催化降解染料废水的催化活性.结果表明,在中性条件下Mo-Cu-Fe-O对阳离子型染料废水具有良好的催化活性.循环使用七次后该样品对阳离子红GTL和酸性红的脱色率分别达到91.5%和92.8%,然而对酸性红阴离子型染料废水基本无催化活性.在常温常压CWAO过程中产生的羟基自由基能有效降解阳离子GTL废水,其废水毒性随着反应的进行逐渐减小.     

含Fe、Co、Ni的层状双金属氢氧化物为催化剂前体生长碳纳米管

分别以具有相似Fe、Co、Ni含量的层状双金属氢氧化物(LDHs)为催化剂前体,用化学气相沉积的方法生长碳纳米管(CNTs).催化剂由LDHs焙烧还原得到.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及拉曼光谱(Raman)测试技术对LDHs及其焙烧产物的结构、CNTs的形貌和结构进行了研究.结果表明,3种催化剂生长的CNTs均为多壁结构;其中Co催化剂活性较低,生长CNTs的管径较细、石墨化程度较高;Ni催化剂的活性较高,生长CNTs的密度较大、管壁较厚、石墨化程度较差;Fe催化剂的活性介于Co和Ni之间.催化剂活性及CNTs的密度可以由生长CNTs的结构来解释.     

Single-atom Catalysts Based on Layered Double Hydroxides

Single-atom catalysts(SACs) have attracted much attention for their superior catalytic performance in various fields. It has been widely accepted that the selection of appropriate substrates is crucial to the fabrication and application of SACs. Layered double hydroxides(LDHs) have been developed as one of the promising substrates for single-atoms due to their unique adjustable supramolecular structures. In this review, we comprehensively sort out the research of SACs based on LDHs. By analyzing the characteristics of LDHs and the single-atoms, respectively, the preparation strategies of SACs by using LDHs are summarized. Their applications as efficient catalysts in electrocatalysis, photocatalysis and thermal catalysis are then discussed. Finally, we summarize the opportunities and challenges for the rational design and application expansion of SACs based on LDHs in the future.     

层状复合金属氢氧化物：结构、性质及其应用

本文评述层状复合金属氢氧化物(layered double hydroxides，LDHs)的化学及其应用。层状复合金属氢氧化物具有结合紧密的氢氧化物层和处于层间的阴离子，其比较突出的化学性质是可逆的阴离子交换和热分解性质。不过，因为受到氢氧化物层的局限，处于层间的阴离子表现出的特殊化学性质近年来也越来越受到重视。利用上述三个方面的性质，人们发掘了层状复合金属氢氧化物在材料(包括有机无机复合材料)制备、离子交换与有害阴离子脱除、异构体化学分离、化学反应控制、阻燃材料、活性分子储存与缓释、局部化学反应合成、催化剂及催化剂载体等方面的应用。     

单层类水滑石纳米片的可控合成及规模生产展望

水滑石(LDHs)是一种阴离子黏土材料,由于其主体层板厚度的可调性,使其在光/电催化、电池、超级电容器、传感器以及生物医药等领域都具有广泛应用。降低层厚至单层可使材料的物理化学性质发生根本改变,从而优化催化性能。近期研究表明,利用自上而下,自下而上的方法,可以实现单层LDHs类材料的合成,但是受限于产量(g级)以及成本设备等问题,目前规模化制备高质量单层LDHs类材料还没有工业案例。成核晶化隔离法是目前唯一规模化合成纳米LDHs的工业化方法,具有成本低,产量可吨级放大等优点。本综述从合成方法、表征手段、应用三个角度讨论了单层及超薄LDHs的精准调控,详细论述了近期关于单层及超薄LDHs合成突破以及LDHs的规模化生产进展,并对其性能进行了总结,为后续设计高性能单层LDHs提供思路。     

水滑石类催化剂催化制氢及生物炼制(英文)

近年来,水滑石由于其独特的性质受到越来越多的关注.作为非均相固体催化剂,水滑石及其衍生物具有优良的催化性能,因此得到了广泛研究和应用.本文简述了水滑石的几种合成方法,重点介绍了水滑石类催化剂在催化制氢和生物炼制方面的应用,并预测了水滑石类材料在新材料合成及环境友好催化体系中的应用前景.     

12-磷钨酸插层MgAl水滑石的合成、表征及催化酯化原油脱酸性能

采用离子交换法合成了不同Mg/Al物质的量比的12-磷钨酸(H_3PW_(12)O_(40),HPW)插层水滑石(LDHs),采用XRD、FT-IR、Raman、ICP-AES、TG-DSC等分析手段表征其物化性质,Hammett指示剂-正丁胺滴定法测定其酸强度和酸量分布。进一步将其用于原油催化酯化脱酸反应,并与NO_3型LDHs对比,探讨酯化活性与催化剂性质之间的关系。结果表明,催化剂的活性主要受酸性和比表面积的影响。HPW插层LDHs的酯化活性明显优于NO3型LDHs,归因于增强的酸性和增大的比表面积。对于弱酸性的NO_3型LDHs,酯化活性与比表面积呈正向关系,Mg/Al物质的量比为4时,具有最大的比表面积和脱酸活性。而对于较强酸性的HPW插层LDHs,酯化活性主要受到酸量的影响,Mg/Al物质的量比为2的催化剂具有最高的酸量和脱酸活性。     

层状材料及催化

LDHs（1ayered double hydroxides）是一类结构可调的阴离子层状及插层结构功能材料,近些年来在催化领域得到了广泛的关注．本文综述了有关LDHs材料构筑原则的理论研究、组装方法及其在多相催化领域应用的最新进展．     

Remote Synthesis of Layered Double Hydroxide Nanosheets Through the Automatic Chemical Robot

As a family of two-dimensional functional materials, layered double hydroxides(LDHs) have the characteristics of adjustable lamellar element type and proportion, variable interlamellar anion, controllable particle size and thickness, providing a robust platform for photo/electro/thermal-catalysis. With the continuous progress of materials science, the synthesis of LDHs is becoming more and more refined. Herein, to achieve the fine preparation of LDHs materials, especailly for the no-chemical/material researchers, we successfully assembled the automatic synthesis device and wrote corresponding computer software to control this device, and the automatic synthesis of bulk and monolayer LDHs nanosheets on a laboratory scale can be realized. This work paves a new labor-saving way for the fine synthesis of LDHs nanostructures, further improving the development of LDHs-based materials.     

Synthetic,layered nanoparticles for polymeric nanocomposites (PNCs)

This review discusses preparation and use of the synthetic layered nanoparticles in polymer matrices, i.e., in the polymeric nanocomposites (PNCs). Several types of synthetic or semi‐synthetic layered materials are considered, namely the phyllosilicates (clays), silicic acid (magadiite), layered double hydroxides (LDHs), zirconium phosphates (ZrPs), and di‐chalcogenides. The main advantage of synthetic clays is their chemical purity (e.g. absence of amorphous and gritty contaminants, as well as arsenic, iron, and other heavy metals), white to transparent color that assures reproducibly of brightly colored products, as well as a wide range of aspect ratios, p = 20 to ≤6000. Several large scale production facilities have been established. The synthetic clay and LDH industries are oriented toward big volume markets: catalysis, foodstuff, cosmetics, pharmaceuticals, toiletry, etc. The use of these materials in PNCs is limited to synthetic clays and LDHs, mainly for reinforcement, permeability control, reduction of flammability, and stabilization, e.g. during dehydrohalogenation of chlorinated macromolecules. The use of lamellar ZrPs and di‐chalcogenides is at the laboratory stage of functional polymeric systems development, e.g. for electrically conductive materials, catalysts or support for catalysts, in photochemistry, molecular and chiral recognition, or in fuel cell technologies, etc. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

“卡房”结构LDHs负载Pt纳米催化剂用于乙醇电催化氧化

乙醇电催化氧化是直接乙醇燃料电池(DEFCs)的核心反应,而DEFCs的阳极电催化剂是提升乙醇转化效率的关键。Pt作为最稳定、最有效的催化剂之一,仍面临着成本高、容易被乙醇氧化产生的中间产物毒化等问题。选择合适的载体实现Pt的高度、均匀、稳定分散,不仅可以提高其抗中毒能力和催化活性,而且还可以减少Pt用量降低成本。本文采用两步电化学沉积法合成了层状双金属氢氧化物(LDHs)纳米阵列负载Pt纳米催化剂(Pt/LDHs/NF),具有“卡房”结构的LDHs增强了Pt纳米粒子的分散,有助于实现高效的乙醇电催化氧化性能。制备的Pt/NiFe-LDH/NF在碱性环境下对乙醇表现出最优的电催化氧化活性,峰值电流密度达到171.99mA·cm^-2。这可为今后设计和制备均匀、稳定分散的Pt基催化剂用于乙醇电催化氧化提供借鉴。     

Oxygen Isotope Labeling Experiments Reveal Different Reaction Sites for the Oxygen Evolution Reaction on Nickel and Nickel Iron Oxides

Nickel iron oxide is considered a benchmark nonprecious catalyst for the oxygen evolution reaction (OER). However, the nature of the active site in nickel iron oxide is heavily debated. Here we report direct spectroscopic evidence for the different active sites in Fe‐free and Fe‐containing Ni oxides. Ultrathin layered double hydroxides (LDHs) were used as defined samples of metal oxide catalysts, and ¹⁸O‐labeling experiments in combination with in situ Raman spectroscopy were employed to probe the role of lattice oxygen as well as an active oxygen species, NiOO^?, in the catalysts. Our data show that lattice oxygen is involved in the OER for Ni and NiCo LDHs, but not for NiFe and NiCoFe LDHs. Moreover, NiOO^? is a precursor to oxygen for Ni and NiCo LDHs, but not for NiFe and NiCoFe LDHs. These data indicate that bulk Ni sites in Ni and NiCo oxides are active and evolve oxygen via a NiOO^? precursor. Fe incorporation not only dramatically increases the activity, but also changes the nature of the active sites.