MOFs基材料高级氧化除菌

环境中的病原微生物对人类的健康造成了较大的威胁,传统抗菌剂不足以满足当今人类的需求,因此开发新型高效抗菌剂是目前重要的研究领域。由于具有较大的孔隙度、丰富的表面电荷、周期性分散的金属团簇和活性位点,金属有机框架(MOFs)基材料不仅能够通过可控地缓释金属离子实现除菌,还能通过光催化、活化过硫酸盐、类Fenton反应、电催化等高级氧化过程对细菌产生高效杀灭效果。本文系统总结了具有高级氧化除菌性能的MOFs材料及其复合物、衍生物和宏观器件的研究进展,对MOFs基材料的设计理念、抗菌性能和机理进行了讨论。最后提出了MOFs基材料在除菌领域所面对的挑战,并对其应用前景进行了展望。     

基于生物炭的高级氧化技术降解水中有机污染物

碳基材料催化剂因具有良好的催化性能,同时可避免金属催化剂的重金属沥出造成的二次污染问题,常被应用于高级氧化领域。其中,以废弃生物质为原材料热解产生的生物炭,不仅具有催化潜力,还具有低成本和绿色环保等优势,被广泛用于活化过氧化氢、过一硫酸氢盐和过二硫酸盐等过氧化物降解水中有机污染物。本文介绍了生物炭的前体种类和制备方法、阐述了二者对生物炭活化能力的影响,总结了生物炭活化过氧化物的机理,分析了水质对降解污染物的影响,综述了生物炭的改性、循环使用及再生,指出了这一技术存在的问题并对后续研究进行了展望。     

金属有机框架用于一氧化碳氧化

鉴于一氧化碳(CO)氧化在基础研究、 环境保护和实际应用中的重要性, 人们对其进行了广泛的研究. 金属有机骨架(MOFs)由于具有永久孔隙, 结构多样且可调控, 是一种很有前途的CO氧化催化剂. 本文对近年来MOFs和MOF基催化剂用于CO氧化的研究进展进行了系统的总结, 并根据催化剂活性物种/位点进行了简要的分类介绍. 除了催化剂的化学结构, 催化剂的负载量、 制备方法和预处理技术以及反应温度等对催化性能的影响也在文中进行了讨论. 最后, 本综述对该研究领域进行了总结和展望.     

基于金属有机框架材料芬顿氧化法降解有机污染物研究进展

随着工业生产的快速发展,工业废水的排放对环境的损害愈加严重,其中最为常见的有机废水对环境污染较大.芬顿氧化法作为一种高级氧化法,其反应物和产物绿色无污染,深受人们关注.传统芬顿氧化法存在对反应体系pH要求高、过氧化氢利用率低等问题.近年来,金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)材料相关的应用研究进展为解决上述问题提供了新的解决方法和思路.本文概述了基于MOFs材料的芬顿氧化法降解水中有机污染物的最新发展状况,通过分析MOFs基催化剂的结构特点并通过对其作用机理的归纳,讨论其结构与催化活性的关系,探寻更合理的催化剂设计策略,并对该领域的发展进行了展望.     

金属有机框架(MOFs)基光催化剂的设计及其在太阳能燃料生产和污染物降解领域的研究进展

金属有机骨架(MOFs)具有较高的比表面积,丰富的金属/有机物种,较大的孔体积以及结构和成分可调节的特性,因此在太阳能燃料生产和污染物的光降解领域具有广泛的应用.根据其结构特点,研究者们主要从有机配体和孔道结构两方面对MOFs进行调控:(1)对有机配体进行修饰,如将杂原子、羟基、卤素原子、金属离子、生物大分子等引入MOFs结构;(2)将无机纳米粒子引入MOFs孔道内,如将贵金属、金属氧化物、多金属氧酸盐等纳米粒子封装在MOFs的孔道内.这些策略可有效增强MOFs的导电性、稳定性等,并进一步提高MOFs基催化剂的光催化性能.本文首先概述了四种经典MOFs类型,即UiO,ZIF,MIL和PCN系列的结构特点和催化性能.其次,总结了在设计MOFs基光催化材料过程中,根据不同类型MOFs特点着重考虑的五方面因素,即稳定性、能带结构、吸附作用、选择性和电导性.再次,讨论了提高MOFs基光催化剂活性的策略,如助催化剂修饰、构建异质结、配体或金属中心修饰和缺陷工程.最后,总结了MOFs基光催化材料在催化还原CO₂、分解水制氢和降解有机污染物反应中的应用进展及影响其催化性能的主要因素.尽管MOFs基光催化材料研究已经取得了令人瞩目的进展,但对MOFs基光催化剂进行可控设计制备仍然存在挑战.如何实现纳米MOFs基光催化材料的制备与规模化生产、可调缺陷MOFs基光催化材料的精准设计、开发高稳定性的MOFs基光催化材料等仍需进一步探索.因此,未来需要从MOFs的纳米化合成、复合材料界面结构的精准调控、催化活性机制与稳定性关系等方面对MOFs基光催化材料进行深入的研究.     

用于电解水制氢的过渡金属有机骨架基催化剂

金属有机骨架(MOFs)材料因具有无机和有机的杂合性质、高度有序的多孔性、结构可修饰性、比表面积大和孔隙率高等特点,在催化领域具有广阔的应用前景。本文从氢能的开发利用角度出发,在纯MOFs、MOFs复合及衍生材料三个方面对近十年来过渡金属MOFs基催化剂在电解水制氢方面的重要研究进展进行了综述,着重针对材料的合成进行了探讨,以及在基础研究和产业应用的角度指出当前过渡金属MOFs基制氢催化剂面临的挑战和机遇,对其应用前景进行展望。     

金属有机框架(MOFs)基光催化剂的设计及其在太阳能燃料生产和污染物降解领域的研究进展（英文）

金属有机骨架(MOFs)具有较高的比表面积,丰富的金属/有机物种,较大的孔体积以及结构和成分可调节的特性,因此在太阳能燃料生产和污染物的光降解领域具有广泛的应用.根据其结构特点,研究者们主要从有机配体和孔道结构两方面对MOFs进行调控:(1)对有机配体进行修饰,如将杂原子、羟基、卤素原子、金属离子、生物大分子等引入MOFs结构;(2)将无机纳米粒子引入MOFs孔道内,如将贵金属、金属氧化物、多金属氧酸盐等纳米粒子封装在MOFs的孔道内.这些策略可有效增强MOFs的导电性、稳定性等,并进一步提高MOFs基催化剂的光催化性能.本文首先概述了四种经典MOFs类型,即UiO, ZIF, MIL和PCN系列的结构特点和催化性能.其次,总结了在设计MOFs基光催化材料过程中,根据不同类型MOFs特点着重考虑的五方面因素,即稳定性、能带结构、吸附作用、选择性和电导性.再次,讨论了提高MOFs基光催化剂活性的策略,如助催化剂修饰、构建异质结、配体或金属中心修饰和缺陷工程.最后,总结了MOFs基光催化材料在催化还原CO_2、分解水制氢和降解有机污染物反应中的应用进展及影响其催化性能的主要因素.尽管MOFs基光催化材料研究已经取得了令人瞩目的进展,但对MOFs基光催化剂进行可控设计制备仍然存在挑战.如何实现纳米MOFs基光催化材料的制备与规模化生产、可调缺陷MOFs基光催化材料的精准设计、开发高稳定性的MOFs基光催化材料等仍需进一步探索.因此,未来需要从MOFs的纳米化合成、复合材料界面结构的精准调控、催化活性机制与稳定性关系等方面对MOFs基光催化材料进行深入的研究.     

高效氧催化反应中的金属有机骨架材料（英文）

氧电催化反应包括氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER).作为核心电极反应,这两个反应对诸多能源存储与转换技术(比如燃料电池、金属空气电池以及全水分解制氢等)的能量效率起决定性作用.然而,ORR和OER涉及多个反应步骤、多个电子转移过程以及多相界面传质过程.这些复杂的过程较大程度上限制了ORR和OER的反应速率.从理论和实践两个方面来看,ORR和OER都需要高效电催化剂的参与来促进其反应速率,从而能够最终提高上述能源存储与转换技术的能量转换或利用效率.目前,以Pt,Pd,Ir,Ru为代表的贵金属基电催化剂具有十分突出的电催化性能.但是,过高的成本和过低的储量始终制约着贵金属基电催化剂在催化ORR和OER反应方面,乃至在能源存储与转换技术领域的规模化应用.因而,开发高效非贵金属基氧电催化剂成为近年来能源存储与转换领域的研究重点之一.在众多已经报道的非贵金属基氧电催化剂中,金属有机骨架材料(MOFs)备受瞩目.MOFs是一类由有机配体和金属节点通过配位键自组装而成的晶态多孔材料.它们具备超高比表面积、超高孔隙率以及规则性纳米孔道.相比较其他传统的多孔材料(比如活性炭、分子筛、介孔炭、介孔氧化硅等),MOFs最主要的优势在于它们的结构和功能可以依据需求通过选择合适的有机配体和金属节点进行便利地设计,或通过后处理进行必要的改性和调节.基于独特的多孔特性以及结构与功能的可设计、可调节性,MOFs在气体分离与存储、异相催化、化学传感、药物输送、环境保护以及能源存储与转化等领域都具有潜在的应用价值.因而,近年来,MOFs备受基础研究领域和工业界的青睐.针对MOFs开展的基础研究和应用开发逐渐成为诸多领域的研究焦点.也正由于MOFs具有的上述优异特性,尤其是结构与功能的可设计、可调节性,使得设计制备基于单纯MOFs以及MOFs衍生材料成为开发高效非贵金属基氧电催化剂的新途径.本综述首先论述了基于单纯MOFs的氧电催化剂(包括纯MOFs、活性物种修饰的MOFs以及与导电材料构成的复合MOFs)的合成以及它们在ORR或OER催化反应中应用的研究进展.在第二部分论述中,本综述主要针对MOFs衍生的各类氧电催化剂(包括无机微米-纳米结构/多孔碳复合材料、纯多孔碳材料、纯无机微米-纳米结构材料以及单原子型电催化材料)的研究进展进行了简要介绍和讨论.最后,本综述对MOFs基氧电催化剂目前存在的挑战进行了简要分析;同时,也对这类氧电催化剂的通用设计准则以及未来发展方向进行了展望.尽管存在诸多挑战,MOFs始终被认为是极好的"平台"材料.充分利用它们将有利于开发高效且实用的非贵金属基氧电催化剂.     

多相催化过硫酸盐工艺处理水环境中有机污染物的非自由基过程

20世纪80年代至今,水处理技术中的高级氧化过程(AOP)已被广泛研究及应用。然而水体中的有机污染物仍因种类繁多和降解难易不同困扰着研究者们,因此对于AOP的机理过程需要更深入的分析认识,以利于技术的进一步发展及应用。AOP中的过硫酸盐氧化工艺近年来得到大量关注,其自由基机理的关键活性物种是·OH 和·SO₄^-。非自由基机理分为¹O₂氧化和PS直接氧化(也称电子转移),某些体系中高价态金属也直接或间接地参与氧化过程。但非自由基过程的发生机理及优势特点仍存在争议。本文综述了基于多相催化过硫酸盐高级氧化过程处理水中有机污染物的最新研究,阐述反应机理及其分析手段,并指出当前研究可能存在的问题。对于过硫酸盐高级氧化工艺中非自由基过程的未来研究方向及应用前景提出展望。     

UiO-67-Sal-CuCl2在空气中催化芳香醇的选择性氧化

利用水热法一步合成了金属有机骨架(MOFs)材料UiO-67-Sal, 并将3种铜盐固定在其表面, 研究了3种铜MOFs材料催化芳香醇选择性氧化的性能. 结果表明, UiO-67-Sal-CuCl₂催化剂对芳香醇选择性氧化反应具有良好的催化活性, 且在重复使用4次后, 依然保持较好的催化效果.     

卟啉金属有机骨架材料的合成及其在催化反应中的应用

金属有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)材料不仅具有非常高的孔隙率和表面积,而且其骨架结构可调控性强,容易实现功能化。功能性MOFs材料是近年发展起来的均相催化剂多相化的有效方法之一。均相催化剂金属卟啉具有很好的催化活性,卟啉构建功能性MOFs材料主要通过两种方式:一种是卟啉作为有机构筑模块制备MOFs材料,另一种是将金属卟啉封装到MOFs内部。卟啉MOFs材料因集合了MOFs的微观结构可调控性和仿酶催化剂金属卟啉的特殊催化活性而引起广泛关注。本文介绍了卟啉MOFs材料的设计合成策略及近年来卟啉MOFs材料在催化领域中的应用,并对其催化应用趋势作了展望,以期对卟啉MOFs材料的设计合成及其催化性能有比较全面的认识。     

炭基材料催化过氧化物降解水中有机污染物:表面作用机制

近几年来,利用传统炭材料(如活性炭(AC)、生物炭(BC)、活性炭纤维(ACF)与活性炭布(ACC))以及纳米碳材料(如碳纳米管(CNT)、石墨烯(GE)、有序介孔碳(OMC)),或其表面改性后的炭基材料,代替金属催化剂,来催化活化过氧化物(包括过氧化氢(H_2O_2)、过一硫酸氢盐(HSO_5~-,PMS)、过二硫酸盐(S_2O_8~(2-),PS))产生高活性羟基自由基(·OH)或硫酸根自由基(SO_4~(·-)),从而氧化去除水中难生物降解有机污染物,成为水处理领域研究热点。在炭表面富含很多起催化作用的官能团,如羟基、羧基、酮基、吡啶、吡咯等,同时具有丰富多样的缺陷形状、离域π电子、杂化C轨道等,能共同协作表现出非金属炭基催化剂的优良特性。因此,不同类型材料及其表面官能团、表面结构、电子密度等因素对炭基材料催化过氧化物的机理发挥显著作用。本文深入分析了上述炭基材料在吸附、络合中间体、电子转移过程中催化过氧化物产生强氧化性的自由基,并高效降解水中有机污染物的作用机理,综述了2010年以来该类高级氧化技术在水处理领域的研究进展,特别是通过总结炭基材料的氧化改性作用、氮化改性作用、多原子原位掺杂作用以及还原改性作用,系统阐述了表面物理化学性质对炭基材料催化过氧化物的表面作用机制的影响,并归纳了氧化剂对炭基材料的表面作用机制,对存在的问题提出了新的研究展望。     

活化过硫酸盐原位化学氧化修复有机污染土壤和地下水

原位化学氧化 （ISCO）是近些年来国内外较为推崇的一种土壤和地下水修复技术。过硫酸盐（PS,S₂O₈^2-）具有易运输、较稳定、易溶于水和易传质等性质,能很好地适应ISCO的发展要求。它在光、热、过渡金属离子、强氧化剂和强碱性环境等活化条件下,能产生强氧化性的硫酸根自由基SO₄^·-,适用于氧化降解各种有机污染物。本文在分析活化过硫酸盐（activated persulfate,APS）氧化机理的基础上,综述了不同方式活化过硫酸盐原位修复有机污染土壤和地下水及APS协同、联用技术的应用,并就值得深入研究的问题和热点趋势进行了展望。     

碳酸氢盐活化的过氧化氢：一种有机废水处理的新技术

水污染问题已成为影响我国可持续发展的关键问题之一,为有效提高现有污水处理的效率及其回收利用,各种催化氧化技术受到了广泛的关注。目前发展的各类高级氧化技术在实际的应用过程中明显受到了氧化剂的利用率、催化剂的浸出、寿命及成本等问题的严重限制。因此基于新的理念、发展新的催化氧化技术仍然受到广泛的关注。
　　最近几年,利用碳酸氢盐活化过氧化氢,应用于有机废水的降解逐渐受到环境催化领域的关注。碳酸氢盐本身是一种低毒性、广泛存在于环境及生物体系的化学物质,通过它活化过氧化氢产生过碳酸氢盐氧化剂,该氧化剂能够直接氧化有机物。同时,在各种过渡金属催化剂的存在下,通过该过碳酸氢盐可以形成氧化能力更强的各种自由基(如羟基自由基等) 及高价态的过渡金属离子参与有机废水的降解。虽然传统认为碳酸盐及碳酸氢盐对高级氧化法降解有机废水不利,原因是认为它们能捕捉羟基自由基,形成氧化能力更低的碳酸根自由基。现有的研究已充分表明,较低浓度的碳酸氢盐能够加快有机废水的氧化降解,而且通常比单独使用过氧化氢效率更高,这些新的发现已明显突破了传统意义上对碳酸氢盐作用的理解。更为重要的是,在微量碳酸氢盐的存在下,其产生的微碱性环境极大地消除了负载型氧化物催化剂在废水降解过程中的金属离子流失、从而极大地延长了催化剂的寿命。该缺点是各种基于过渡金属氧化物催化剂的高级氧化技术难以广泛推广的关键性挑战,原因是随着氧化降解的进行,废水体系由于有机酸的生成而逐渐酸化,进而引发氧化物催化剂的酸溶而流失。在这点上,碳酸氢盐活化过氧化氢系统由于其天然的微碱性环境体现出了其明显的优势。
　　本文即是在本课题组工作基础上,对该领域内国内外研究进展加以总结,以期获得国内外同行的进一步关注。综述的主要内容包括：(1)碳酸氢氧活化过氧化氢的相关知识介绍,(2)均相碳酸氢氧活化过氧化氢降解有机废水的研究进展,(3)基于金属氧化物催化剂的碳酸氢氧活化过氧化氢降解有机废水的研究进展,和(4)碳酸氢盐在其他高级氧化技术中的应用。虽然基于碳酸氢氧活化过氧化氢降解有机废水的研究还处于早期探索阶段,还有很多基础科学问题如降解机理等值得进一步探索,期望通过该综述的介绍能够让同行对碳酸氢氧活化过氧化氢降解有机废水有一个比较全面的了解,进而推动该研究方向的发展,为有机废水的催化处理提供新的机会。     

碳氢化合物的活化及氧化理论研究*

通过理论方法研究碳氢化合物的活化及氧化,可以对不同催化剂及氧化剂的反应机理形成深刻认识,从而指导设计合成更加高效的碳氢化合物活化及氧化催化剂。本文总结了近几年在碳氢化合物的活化及氧化领域的一些新进展,涉及的底物包括从甲烷到碳原子数等于6的烃类,而催化剂及氧化剂包括有机金属化合物和无机化合物（如分子筛催化剂、金属团簇和金属氧化物等）。文章底物的碳原子数为依据进行分类编排,对每一类底物的活化及氧化介绍不同催化剂及氧化剂的反应过程,着重比较了各类催化剂及氧化剂的异同。     

基于石墨烯基材料的非金属液相催化反应

非金属碳基催化剂因其具有合成简单、结构稳定、比表面积大、可调控性强等特点受到了研究者的关注,已成为最活跃的研究领域之一。以二维、单原子层、六方结构的碳为基础的石墨烯和其高度氧化形态——氧化石墨烯是一类新兴的碳基材料。这类材料在催化领域的应用在近五年内才刚刚兴起。此类材料可用于烃类转化、有机化学合成、能源转化等多种催化反应,本文主要综述了采用化学氧化还原法制备的石墨烯和氧化石墨材料为催化剂的各类催化反应的最新研究进展。     

基于过硫酸盐活化的微界面电子转移氧化技术

基于过硫酸盐活化的高级氧化技术是当前环境领域的研究热点。然而,环境中广泛存在的基质严重地制约了这一技术的实际应用。最新研究表明,在某些催化剂的作用下,过硫酸盐能够以电子转移的非自由基机制氧化降解污染物,而催化剂主要起电子转移媒介的作用。这一技术不易受水环境中氯离子、碳酸氢根离子等常见阴离子和天然有机物的影响,对目标污染物的氧化去除具有较高的选择性。同时,实验现象初步显示这一技术有望实现污染物的降解而无须使其与氧化剂直接接触,从而能够避免氧化剂和卤素阴离子的作用。本文着重综述了常见电子媒介的类型、电子转移机制的表征方法和常见基质对电子转移过程的影响,提出了这一技术存在的问题并对其应用前景进行了展望。     

羧基配体金属有机骨架材料作为催化剂的研究进展

<正>金属有机骨架材料(MOFs)是由无机金属中心与多齿有机配体通过配位键形成的立体网络结构多孔晶体材料[1].MOFs具有多孔性、大比表面积、结构规整、有机配体的可修饰性、金属离子的可选择性等特点,在气体吸附、气体分离、磁性材料、光学材料和催化剂等领域得到广泛的应用[2-6].尤其是在催化方面,MOFs结合了金属有机配合物和分子筛的优点,可以直接用作催化剂,也可作为催化剂载体使用.     

过硫酸盐活化高级氧化新技术

过硫酸盐在热、光、过渡金属催化等条件激活下产生强氧化性的硫酸根自由基·SO₄^-。基于·SO₄^-的过硫酸盐活化“高级氧化技术”在环境污染治理领域的应用,是刚刚发展起来的崭新的研究方向,具有广阔的应用前景。本文在分析其基本原理的基础上,综述了过硫酸盐活化技术在国内外土壤地下水有机污染原位修复、难降解有机废水处理等环境污染治理方面的研究进展,并就存在问题进行了研究展望。     

钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

发展氧气还原反应(ORR)的二电子高效电催化剂一直是燃料电池领域的研究热点,但针对具有二电子还原特征且可应用于水处理领域电极材料的研究还处在起步阶段。本综述介绍了近年来二电子还原特征的贵金属电极材料及其在电催化处理水中污染物的研究进展。在Fe~(2+)存在下,Pd基电极材料催化氧气还原合成H_2O_2,间接催化氧化水中有机污染物,实现有机物的矿化降解和水质的净化;Pd基电极催化还原水中有机污染物、无机盐等,将其转化为低毒性、易处理产物并彻底去除;Pd基催化电极的高效电子传导性能增强了水中重金属离子的氧化/还原转化,实现重金属去除。本综述展望了纳米电极材料在水处理应用的机遇与发展方向。