GaP/GaPN核壳纳米线阵列修饰的硅光阴极的光电化学制氢反应（英文）

能够大规模同时提升电极的催化效率和稳定性对光电化学分解水系统的开发具有重要意义.硅是一种地球储量丰富且成熟的工业材料,由于其合适的带隙(1.1 eV)和优异的导电性,已被广泛用于光电化学制氢反应.然而,缓慢的表面催化反应和在电解液中的不稳定性限制了其在太阳能制氢中的实际应用.III-IV族半导体材料也具有较高的载流子传输特性且被广泛用于光电器件.其中,GaP的直接带隙和间接带隙分别为2.78和2.26 eV,可与硅组成串联型光电极用于光电化学分解水.然而,GaP的光腐蚀电位位于禁带中,很容易在光电催化过程中发生光腐蚀而导致性能大幅下降.本文报道了一种新型的GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p型硅(p-Si)串联型光阴极,同未修饰的p-Si相比,其光电化学制氢性能更高.这可归因于以下几点:(1)p-Si和GaP纳米线之间形成的p-n结促进了电荷分离;(2)GaPN相对于GaP具有更低的导带边位置,进一步促进了光生电子向电极表面的转移;(3)纳米线结构既缩短了光生载流子的收集距离,又增加了比表面积,从而加快了表面反应动力学.此外,在GaP中引入氮元素还提高了体系的光吸收和稳定性.我们所提出的高效、简便的改进策略可应用于其他的太阳能转换体系.利用简单的化学气相沉积法制备GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极.首先在p-Si衬底上利用Au纳米颗粒作为催化剂生长GaP纳米线;然后,去除Au催化剂,并在氨气中退火便形成了GaP/GaPN核壳纳米线.高分辨透射电子显微镜,拉曼光谱和X射线光电子谱的表征结果均证实了氨气退火使得GaP纳米线表面形成了GaPN的薄壳层,同时证明了GaP/GaPN核壳纳米线具有可调的核壳结构.在模拟太阳光下作为光阴极用于光解水制氢反应时,GaP/GaPN核壳纳米线修饰的p-Si光阴极的起始电位为~0.14 V,而未修饰的p-Si电极的起始电位大约在?0.77 V.而且,GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极比未修饰的p-Si光阴极具有更高的光电流密度,在水的还原电位下,其光电流密度为?0.3 mA cm^-2,且饱和光电流密度在?0.76 V时达到了?8.8 mA cm^-2.此外,GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极的光电化学活性在10 h内没有发生明显下降.由此可见GaP/GaPN核/壳纳米线可以规模化有效地提升Si光电极的催化效率和稳定性.     

光催化全解水助催化剂的设计与构建

能源和环境危机是当今社会面临的两大关键课题,利用太阳光驱动化学反应、将太阳能转化为化学能是解决上述问题的重要措施。通过光催化分解水是直接利用太阳能生产氢燃料的有效策略。光催化水分解过程可以分为三个基元步骤:光吸收、电荷分离与迁移、以及表面氧化还原反应。助催化剂可有效提高电荷分离效率、提供反应活性位点并抑制催化剂光腐蚀的发生,进而提高水分解效率。助催化剂也可以通过活化水分子以提高表面氧化还原动力学,进而提升整体光催化反应的太阳能转换效率。本文综述了助催化剂在光催化反应中的重要作用以及目前常用的助催化剂类型,详细说明了在光催化全解水过程中双助催化剂体系的构建及作用机理,并根据限制全解水的关键因素提出了新型助催化剂的设计策略。     

氮掺杂TiO_2纳米线阵列优越的可见光光电性能(英文)

成功制备了氮掺杂锐钛矿TiO2纳米线,并研究了它的光电化学性质.结果表明,与商用P25 TiO2纳米粒子和未掺杂TiO2纳米线相比,氮掺杂TiO2纳米线作为光阳极明显地提高了光电转换效率(IPCE%),在可见光区有明显光吸收;在100 mW/cm2可见光光照下,氮掺杂TiO2纳米线具有最大的光电流密度和能量转换效率.例如,当电压为0.09 V(vs.Ag/AgC l)时最大能量转换效率为0.52%,均高于未掺杂TiO2纳米线和商用P25 TiO2纳米粒子的,充分表现出它优越的光响应和光电化学性能,在光电化学池、太阳能制氢等方面具有广泛的应用前景.     

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO2单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进行讨论:(1)单一助催化剂,包括金属/合金、金属氧化物/氢氧化物、金属磷化物、金属硫化物、碳基材料等助催化剂材料;(2)双助催化剂;(3)Z-Scheme助催化剂;(4)MOFs助催化剂.近年来,助催化剂材料在光催化产氢中应用的发展趋势从当初价格昂贵的贵金属趋于价格相对低廉的非贵金属,从单一体系趋于更复杂的体系.虽然现阶段关于助催化剂与基底之间的匹配还需要进一步研究,但我们相信随着技术的发展,这些问题都可以迎刃而解.希望在不久的将来,可以精确设计和构建出具有高效光催化产氢活性的催化剂体系,开发出更多新的可再生清洁能源,从而缓解能源紧缺和环境恶化等棘手问题.     

扫描电化学显微镜在光电化学研究中的应用

深入研究各种光电化学反应过程的机理和反应动力学性质等对提升光电转换效率、发展绿色高效光伏能源器件具有重要意义.扫描电化学显微镜(SECM)是一种具有高时空分辨率的电化学扫描探针显微镜技术,不仅可以研究光电催化反应的机理和动力学性质,还可以通过光电流反馈模式进行组合成像,实现光电催化剂的性能评估和优选,近年来逐渐成为光电化学研究领域微区观测和反应动力学研究的重要技术手段.本综述系统介绍了SECM在光电化学研究中的应用,首先介绍用于光电化学研究的SECM的实验装置、工作原理和工作模式,然后对SECM在光合作用、光诱导电荷转移、电致化学发光、光解水、太阳能电池等光电化学研究领域的应用进行了详细介绍,最后展望了SECM在光电化学研究领域中的应用发展方向.     

氨合成催化剂100年:实践、启迪和挑战

Haber-Bosch发明的氨合成催化剂创立已经100周年. 介绍了氨合成催化剂在理论和实践方面的发展、成就及其启迪,展望了氨合成催化剂的未来和面临的新挑战. 催化合成氨技术在20世纪化学工业的发展中起着核心的作用. 一个世纪以来,氨合成催化剂经历了Fe3O4基熔铁催化剂、Fe1-xO基熔铁催化剂、Ru基催化剂等发展阶段,以及钴钼双金属氮化物催化剂的发现. 实践表明,氨合成催化剂是多相催化领域中许多基础研究的起点和试金石,没有别的反应象氨合成反应一样,能够把理论、模型催化剂和实验连接起来. 催化合成氨反应仍然是多相催化理论研究的一个理想的模型体系. 理解该反应机理并转换成完美技术成为催化研究领域发展的基本标准. 这个永不结束的故事仍然没有结束. 除了关于反应的基本步骤、真实结构、亚氮化物这些问题之外,催化合成氨在理论上一个新的挑战是关于在室温和常压下氨合成的预测,包括电催化合成氨、光催化合成氨和化学模拟生物固氮以及包括氮分子在内的催化化学研究中几种最稳定的小分子的活化方法等.     

过渡金属原子对掺杂g-CN单层作为高效氮电催化剂性能

由于氨是药物、肥料和树脂等领域的基础,氨合成一直广受关注.工业中主要通过Haber-Bosch反应制备氨,反应需要在高温高压下进行.因此,探索其它氨合成技术对减轻能源消耗和缓解温室效应具有重大意义.在溶液条件下,采用水作为氢质子源,电化学还原氮合成氨方法受到了极大关注.然而,大多数电催化剂难以活化氮气分子且电催化氮气还原过程中存在副反应竞争,因此,研发高效的电催化材料仍然是一个重要研究领域.研究人员探索了多种电催化材料,其中,双原子对催化剂成为电催化领域的研究热点.与单原子催化剂相比,双原子对催化剂不仅具有低配位的金属原子,而且可以通过调节额外分散的金属原子来改善多数电催化反应性能.作为一种新型碳氮材料,二维g-CN具有高表面积、多孔结构以及出色的光学活性和热力学稳定性,可以与金属原子对良好地适配,是一种有潜力的基底材料.然而,目前有关金属双原子对负载在g-CN单层上作为电催化剂催化N₂分子还原性能尚不清楚.本文采用密度泛函理论计算研究了N₂分子在过渡金属原子对(TM=Sc~Zn)掺杂g-CN单层上的吸附和活化,根据吉布斯自由能详细地研究了电催化合成氨的电化学机理.计算发现,在Fe₂@CN和Co₂@CN催化剂上,其决速步骤的自由能变化分别为0.47和0.78 eV.对于Fe₂@CN,N₂电还原反应机制遵循末端路径,而在Co₂@CN上,其还原过程为末端或混合路径.由于Co₂@CN对析氢反应的抑制效果较好,因此该电催化材料体系极具竞争力.相比于Co₂@CN,Fe₂@CN具有较好的氮气活化性能,但选择性较差.另外,N₂分子与Fe₂@CN和Co₂@CN之间存在电荷的接受-给予过程,这在活化惰性N₂分子中氮原子间的三键上起到了关键作用.第一性原理分子动力学模拟结果表明,Fe₂@CN和Co₂@CN表现出较高的结构稳定性.因此,本文深入探讨了过渡金属原子对掺杂g-CN单层催化剂上的氮气还原效率及机制,为合理设计该系列的高效、低成本电催化剂提供理论依据.     

无氮铁基电催化氮气分子活化的研究进展

氨气不仅被广泛应用于制造氮肥,还是一种易液化且无碳的绿色能源载体.工业固氮的Haber-Bosch工艺每年消耗全球超过1%的能耗,还伴随着大量二氧化碳气体的排放等问题,而电催化氮还原反应可以在常温常压下低能耗地合成氨,因此设计高催化性能的氮气分子活化电催化剂成为科研工作者的首要研究目标.受自然界中固氮酶和Haber-Bosch工艺催化剂的启发,价格低廉且含量丰富的铁基催化剂受到广泛关注.但由于含氮催化剂可能导致氮还原假阳性等问题,因此本文综述了无氮铁基电催化剂(氧化物、硫化物、碳化物、磷化物和铁基金属有机骨架等)在氮还原方面的最新研究进展,为研究人员在执行氮还原实验确定氮源的操作中提出合理建议,希望可以为铁基催化剂的设计和开发提供新的研究思路和参考.     

单原子催化剂在电化学合成氨中的理论研究进展

传统Haber-Bosch工艺合成氨需要大量的能源消耗和复杂的工厂基础设备。在可再生能源的推动下,将氮气电化学还原为氨被认为是替代Haber-Bosch工艺最有效的方法,这在科学界引起了极大的关注。然而,这个过程受到氨产量和法拉第效率低的影响,因此开发更有效的电催化剂对其实际应用至关重要。在之前报告的催化剂中,单原子催化剂（SACs）在高效利用原子和不饱和配位方面表现出显著优势,这为优化催化剂性能提供了巨大的空间。文章综述了单原子催化剂在电化学合成氨中的理论研究,详细分析了贵金属催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂这3类单原子催化剂的性能表现,旨在为电化学合成氨技术的发展提供理论参考。     

合理设计与组装制备高性能杂化钒酸铋基光阳极

正光电化学水分解是一种重要且颇具前景的太阳能转换和利用的方式~1。光电催化水分解系统模拟植物的Z型自然光合作用过程~2。换而言之,光生空穴迁移到阳极表面以参与水氧化反应,而光生电子迁移到阴极表面以参与水还原反应。在光电阳极上发生的水分解产氧半反应包含了一个四电子-四质子的转移过程,该过程通常被认为是水全     

MnO2电极的循环伏安光电化学测量

用循环伏安法的光电化学现场测量研究了γ-MnO_2在充放电过程中的电化学和光电化学性质, γ-MnO_2本身的光电流为正值, 在阴极还原过程中光电流不断减小, 由正值变为负值。说明γ-MnO_2是n型半导体, 阴极还原过程相当于对γ-MnO_2进行了p型掺杂。     

非金属电催化剂环境条件下氮还原反应的研究进展（英文）

在现代社会中氨是一种重要的工业原料,广泛应用于化工业、塑料制造,炸药以及染料等行业。由于氨气中不含碳,氢容量大、能量密度高且易于运输,已经被视为一种绿色能源替代品。Haber-Bosch方法在全球合成氨中起着主导作用,但其过程在高温高压条件下进行,且伴随着高能耗和CO_2排放的问题。电催化氮还原反应(NRR)有望成为常规条件下低成本且环境无害的替代方法,且具有太阳能、风能和其他可再生能源相同的应用潜力。然而,由于惰性的N≡N键,它需要有效的电催化剂来驱动氮气-氨气的转化。迄今为止,人们一直在努力探索高性能催化剂,以实现高效率和选择性。通常,贵金属催化剂具有较高的NRR效率,但是稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用。因此,人们将注意力集中在丰富的过渡金属(TM)催化剂上,该催化剂可以通过空的轨道接受氮气分子的孤对电子,同时提供丰富的d-轨道电子进入氮气的反键轨道。然而,这些催化剂可能释放金属离子,导致环境污染,并且大多数金属电催化剂也可能促进金属与氢成键,从而在电催化反应过程中促进了析氢反应(HER)。近年来,非金属催化剂已经成为一个研究热点。非金属催化剂主要包括碳基催化剂(CBC)以及一些硼基和磷基催化剂。通常,碳基催化剂具有多孔结构和较大的表面积,这有利于暴露更多的活性位点,并为质子和电子的传递提供了丰富的通道。本文总结了近期非金属电催化剂(MFCs)在电化学NRR中的设计和发展状况,包括碳基、硼基和磷基催化剂。此外,大多数非金属化合物的路易斯酸位也可以接受氮气的孤对电子并通过形成非金属和氮成键来吸附氮气分子,从而进一步扩大了它们在电催化NRR中的潜力。与金属基催化剂相比,非金属催化剂的占据轨道只能形成共价键或共轭π键,从而阻碍了电子从催化剂到氮气分子的转移以及分子的活化。我们重点讨论了掺杂型催化剂(N,O,S,B,P,F掺杂以及共掺杂)、有机聚合物、氮化碳及缺陷和表面修饰催化剂。最后,我们还讨论了提高NRR性能的方法,展望了非金属电催化剂的发展前景。     

光催化固氮:人工光合成的新途径（英文）

氨不仅是一种广泛使用的化工原料,还可用作重要的能源载体.哈伯法合成氨被认为是20世纪最伟大的发明之一,为人类社会的发展做出了巨大贡献.同时,氨合成过程每年需要消耗世界总能源的1%–2%.因此,开发绿色清洁的氨合成方法一直是世界范围内工业界和学术界关注的热点.随着人工光合成太阳燃料研究的蓬勃发展,利用太阳能光催化的方式实现在温和条件下合成氨吸引了越来越多研究者的兴趣,因为这是一条最为理想的能源利用途径,即直接利用太阳能将氮气和水转化为氨.近期,该研究领域涌现了一系列有代表性的研究工作,报道了利用半导体光催化剂实现太阳能到氨的转化,虽然整体效率仍很低,但是已经证明了利用太阳能直接将氮气转化为氨的可能性.光催化合成氨过程中,最具挑战的是氮气分子在半导体光催化剂表面的吸附和活化.研究表明,通过在半导体光催化剂表面引入空位或者缺陷可有效地增加氮气的吸附,且很可能成为氮气分子活化并参与反应的活性中心.此外,借鉴自然界豆类植物固氮酶的独特结构,利用其对于氮气分子高效活化的独特优势,构建自然-人工杂化体系也是提升氮气吸附与活化的有效策略之一.本综述将从合成氨过程中氮气的吸附与活化问题入手,分别从缺陷与空位调控和固氮酶两个方面的策略考虑,结合几个典型的光催化剂体系(如卤氧化铋,二氧化钛及水滑石等)作为示例,介绍空位调控与模拟固氮酶策略对太阳能光催化固氮的影响并分析其可能的机理.虽然人工光合成固氮研究取得了一些进展,但是目前效率太低,亟需从基础科学问题的认识和理解上有新的突破,如氮气分子的吸附与活化微观过程、空位可控调变策略、新型光催化剂的开发与表界面修饰、氨氧化逆反应的抑制策略及精确的理论模拟指导人工光合成固氮体系的构建等.最后,对人工光合成固氮研究方向面临的挑战和未来的发展方向进行了总结与展望.     

可用于高效光催化制氢的Ni-P团簇改性氮化碳材料

在过去的几十年里,化石能源的过度消耗导致了全球能源短缺和环境污染,这严重制约着人类社会发展.因此,寻找一种清洁的可再生的能源成为了人们亟待解决的问题.太阳能是地球上最丰富的能源,通过半导体光催化技术把太阳能转化为清洁的氢能是解决能源危机和缓解环境污染最有效的方法之一.石墨相氮化碳(CN)具有合适的能带结构、良好的稳定性、无毒性,且合成方法简单、成本低廉,因而被视为是一种非常有潜力的半导体光催化剂.然而,由于CN在光催化反应过程中光生电子与空穴极易发生复合,严重影响了电子从体相到外表面的转移过程以及随后的光催化质子还原反应,使得CN光催化制氢效率不高.通过负载助催化剂可以有效地促进光生电子和空穴的分离.但是现有的高效助催化剂一般为贵金属,如Pt, Pd和Au等,成本较高,不利于实际应用.因此,寻找高效、稳定且廉价的助催化剂成为光催化领域的挑战之一.本文通过化学镀的方法将Ni-P合金团簇锚定在CN表面,并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-visDRS)、X射线光电子能谱(XPS)、稳态荧光光谱(PL)、时间分辨荧光光谱(TRPL)、光电化学测试和光催化制氢测试等方法研究了负载Ni-P助催化剂对CN晶体结构、化学组成、微观形貌、吸光能力、电荷转移以及光催化性能的影响.XRD, FTIR, FESEM和TEM的结果显示, Ni-P均匀紧密地与CN结合在一起.UV-visDRS测试表明,负载Ni-P提高了材料体系的光吸收能力.XPS结果表明,在复合光催化剂中电子从CN转移到了Ni-P助催化剂上,表明光催化剂和助催化剂之间强的界面相互作用.PL, TRPL和光电化学测试结果表明,与普通CN相比,负载了Ni-P的CN有更小的荧光强度、更短的荧光寿命和更小的电荷转移电阻.这说明负载Ni-P助催化剂提高了CN的电荷转移效率,抑制了光生电子和空穴的复合.因此在光催化制氢反应中,复合光催化剂的氢气产率可高达1506μmolh~(-1) g~(-1),可以与负载贵金属Pt助催化剂的CN相媲美,并且在9 h的循环试验中,产氢性能没有明显下降.综上所述, Ni-P合金团簇在光催化质子还原反应中有望作为贵金属助催化剂的高效、稳定且廉价的替代品.     

光电化学水分解中铁酸盐光阴极的制备与改性

由n型半导体光阳极和p型半导体光阴极组成的无偏压光电化学电池通过太阳能可以将水直接转化为高能量密度的氢气,为解决太阳能利用过程中存在的间歇性和储存问题提供了一种潜在的经济有效的解决途径。金属氧化物具有低成本和易制备等优势,相比于发展较成熟的n型光阳极金属氧化物材料,传统的p型光阴极金属氧化物材料由于金属离子易受到光电腐蚀的影响,光电极寿命的提升是个很大的挑战。作为新型的金属氧化物光阴极材料,铁酸盐具有合适的带隙、较好的光稳定性、较正的起始电位以及较低的制备成本,正在成为光电化学电池实际应用中的有力竞争者。本文阐述了光电化学水分解的基本原理与提升光电极性能的一般方法,总结了近年来颇受关注的代表性铁酸盐光阴极材料CuFeO₂、CaFeO₄与LaFeO₃在制备方法、元素掺杂以及表面修饰等方面取得的重要进展,并对铁酸盐光阴极的未来发展趋势做了展望。     

非贵金属助催化剂MXene在光催化领域应用的研究进展

环境友好型半导体光催化是当前最具前景的光催化技术之一,它不仅能够将太阳能转化为化学能以解决能源危机,还可以将污染物降解矿化从而解决环境问题.但是,传统的半导体光催化剂受限于光利用率低、光生载流子复合率高、稳定性较差等几个方面,无法达到理想的光催化效果.在半导体光催化剂上负载助催化剂是提升光催化效率的有效策略之一.负载助催化剂能够增强光生电荷在半导体与助催化剂界面间的传输,提供额外的催化活性位点,增强光捕获能力,因而被广泛应用于光催化剂的改性.目前广泛使用的贵金属助催化剂包括Au,Ag,Pt,Ru等,虽然这些贵金属助催化剂性能优异,但是它们存在储量少和成本高的问题,严重影响其规模化应用.因此,开展高效且成本低廉的非贵金属助催化剂的研究非常必要.近来,一种新型二维过渡金属材料(MXene)因其具有独特的二维层状结构、优异的导电性能、出色的光学和热力学性质而成为催化领域的研究热点.本文综述了有关非贵金属助催化剂MXene在光催化领域的最新研究进展,内容包括:(1)MXene材料的体相与表面结构特性;(2)薄层MXene的制备方法,例如氢氟酸刻蚀法、氢氟酸替代物刻蚀法以及熔融氟盐刻蚀法;(3)MXene基复合光催化剂的合成及改性策略,包括机械混合、自组装、原位氧化等;(4)MXene辅助增强光催化活性机理.论文还重点介绍了MXene作为助催化剂在光催化领域中的应用,包括光催化分解水产氢、光催化CO2还原、光催化固氮以及有机污染物的光催化降解.最后,论文分析了MXene基异质结光催化剂存在的问题与面临的挑战,并对MXene助催化剂的未来发展进行了展望.主要观点包括:(1)关于光催化分解水、空气净化、合成氨领域的研究较少,需要进一步开展;(2)MXene基异质结光催化剂的反应机理仍存在争议,需采用现代化仪器设备(包括原位表征技术)对其进行更为深入的探究;(3)目前,大多数MXene材料的制备都是通过强腐蚀性的氢氟酸或氢氟酸替代物刻蚀,开发环境友好且高效的MXene制备方法迫在眉睫;(4)阐明MXene表面终端基团的作用有助于提升MXene基复合光催化剂的性能;(5)引入新的改性策略如局域表面等离子体共振效应(LSPR)、缺陷调控、单原子催化(SAC)等来提高MXene基光催化剂的催化性能,是未来MXene基复合催化剂的发展方向.     

K促进的Fe/椰壳炭催化剂对甲烷氮气常压合成氨性能的影响

采用等体积浸渍法制备了一系列催化剂用于甲烷氮气常压合成氨反应.对Si O2、γ-Al2O3、煤质柱状炭、椰壳活性炭为载体的Fe基催化剂的活性评价结果显示椰壳炭载体最优;通过对Zr、Ce、K等多种助剂的筛选,发现K促进的Fe基催化剂氨生成速率最高.利用XRD、SEM、BET等手段对载体和催化剂进行表征,结果表明椰壳炭具有规则孔道且孔容增大,催化剂还原后有新晶相KFe O2生成.最后在固定床微分反应器中,考察了常压合成氨催化剂的负载顺序及最优工况.结果表明,在常压700℃、VCH4/VN2=2/1、空速为2 800 m L/h时,催化剂3%K-5%Fe/椰壳炭的氨生成速率最高可达1.04×10-6mol·g-1·s-1,是现有文献值的83.5倍,将具有深远的工业应用前景.     

Sm1.2 Sr0.8Co1-xNix04+δ(X=0.0,0.1,0.2)粉体在低温常压下电化学合成氨中的阴极催化性能

用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和Sm1.2 Sr0.8Co1-xNix04+δ(x=0.0,0.1,0.2)(SSCN)系列纳米粉体,并用热差分析、XRD粉末衍射和透射电镜方法对SSCN系列进行表征.以碳纸支撑的SSCN系列粉体为阴极、Nafion膜为电解质、碳纸支撑的NiO-SDC还原后得到的Ni-SDC粉体为阳极,以湿氢气和氮气为原料,在低温常压下研究了其在电化学合成氨中的性能.结果表明,在25～100℃和施加电压的条件下,使用SSCN系列粉体为阴极时均有氨气生成,其中Sm1.2 Sr0.8Co1-xNix04+δ作阴极时电化学合成氨的性能最佳,在80℃和0.5V时氨的产率为4.89×10-9mol/(s·cm2).     

光诱导双助催化剂在半导体表面的自发形成（英文）

半导体光催化体系的助催化剂在光生电荷分离和表面催化反应过程中扮演着重要的角色.然而,在反应条件下助催化剂的化学态是否发生改变尚不清楚.本文以钽酸钠为模型光催化剂,系统地研究了镍基助催化剂在光催化分解水反应中的化学态.结果发现,在光诱导条件下半导体钽酸钠单晶表面自发形成了金属镍和氧化镍双助催化剂.首先用传统的水热法合成只暴露单一晶面的六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂和暴露不等同晶面的二十六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂.原位光沉积结果显示,暴露不同晶面的二十六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂存在晶面间的电荷分离现象,进一步利用该现象可以确定不同催化活性位上镍基助催化剂的作用.XPS结果显示,半导体钽酸钠单晶表面的镍基助催化剂存在的不同价态.高分辨透射电镜结果表明,不同晶面上的镍基助催化剂具有不同的形貌,并且通过晶格衍射条纹的对比确认了不同镍基助催化剂物种的归属和作用.将表面浸渍氧化镍的二十六面体钽酸钠半导体光催化剂用于全分解水测试发现,反应开始阶段H_2:O_2比值小于2:1,说明部分光生电子被消耗掉,用于还原氧化镍,生成了金属镍.将表面还原的金属镍光催化剂进行全分解水测试发现,反应开始阶段H_2:O_2比值大于2:1,说明部分光生空穴被消耗掉,用于氧化金属镍,生成了氧化镍,金属镍和氧化镍最终在反应的过程中达到了平衡.金属镍担载在{001}晶面上,起着还原助催化剂的作用,参与质子还原,释放出H_2;氧化镍担载在其他晶面上,扮演着氧化助催化剂,参与水的氧化,释放出O_2;金属镍和氧化镍共同促进了光催化全分解水反应,使反应活性达到了最高.这种双助催化剂的自发形成现象不仅存在于二十六面体钽酸钠单晶半导体表面,在六面体钽酸钠单晶半导体表面也同样存在,是一个普适性的现象.在六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂表面同样可以发现不同形貌的镍基助催化剂,分别归属于金属镍和氧化镍.本文说明了助催化剂的化学态在光催化反应的条件下是可以发生改变的,并且光生电荷可以在半导体表面诱导双助催化剂的自发形成.     

环境条件下电催化氮还原的现状、挑战与展望

氨是一种重要的化肥生产原料和清洁能源载体,在工业上主要通过哈伯法合成,但该工艺反应条件苛刻,需要高温高压并消耗大量的化石能源。因此,开发能耗低、反应温和的合成氨方法,对于缓解能源和环境的双重压力具有重要的现实意义。近年来,在温和条件下通过电催化氮还原反应(NRR)合成氨有望替代哈伯法,但该技术的重点在于设计合理的电催化反应体系并开发高效的催化剂以提升缓慢的NRR动力学过程。为此,本文从电催化合成氨的反应机理出发,介绍了电催化氮还原体系的构建,综述了近年来电催化氮还原催化剂的发展现状,重点总结了提升NRR催化剂活性的设计策略,并对这一新兴领域面临的挑战和潜在的应用前景进行了合理的展望。