低温常压合成氨催化剂

现代合成氨能量消耗占合成氨总成本70%,因而开发低温、常压、高活性的新催化体系非常重要。七十年代以来,国内外已开发出 Fe—K/活性炭、Ba—Ru—K/活性炭、Fe—稀土合金、含稀土氧化物的铁催化剂、铁—钴催化剂及 Fe—Mn 催化剂等,使反应压力降低至～80大气压(1atm=1.01325×10~5Pa),反应温度为300—400℃,大大改进了合成氨催化剂的性能。     

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。     

燃料电池非贵金属催化剂的研究进展

目前,燃料电池中普遍使用的是贵金属铂基催化剂,但其价格昂贵,资源日渐匮乏,严重阻碍了燃料电池的商业化应用,所以寻找低成本、高催化活性和高稳定性的非贵金属催化剂一直是人们关注的研究热点之一。本文阐述了燃料电池非贵金属催化剂在金属氧化物、金属络合物、非金属掺杂的碳基催化剂等三个方面的研究进展,并对其未来的发展趋势提出展望。     

非贵金属单原子催化剂的进展与展望

由于良好的催化活性和稳定性,贵金属催化剂已经被广泛应用于各种异相催化反应中,但是贵金属的稀有性和高成本无法满足未来日益增长的催化需求.2011年,张涛课题组成功地制备了高效、稳定的铂单原子催化剂.高效的单原子催化剂利用单个活性位点作为催化活性中心,可能会成为连接同相催化和异相催化的桥梁.然而从经济适用的长远角度考虑,将非贵金属催化剂缩小到原子尺度是否也会展现出优良的催化活性;是否有潜力替代目前已被广泛应用的贵金属催化剂?虽然现阶段非贵金属催化剂的催化性能仍无法达到贵金属催化剂的标准,但是已有相关研究从理论和实验上报道了非贵金属单原子催化剂及其优异的性能表明了其在未来发展中极其重要,因而,可以预见这两个疑问的答案都是肯定的.单原子概念的出现不仅为提高贵金属的催化性能及成本的降低指明了方向,同时也为制备具有高催化活性、甚至可与贵金属催化剂相媲美的非贵金属催化剂提供了可能性.我们在上述背景下,阐述了对单原子的概念日益加深的机制认知,并从理论和实验上概述了非贵金属单原子催化剂近期的发展情况,指出了目前的在单原子催化剂领域需要解决的一些问题,最后,针对研究现状,我们对未来单原子的发展提出了相应的展望.单原子催化剂具有较高的表面能,因而,如何寻找合适的基体与单原子相互作用,进而,使基体材料像一只手一样稳固地"抓紧"单原子,因而,降低其高表面能则是发挥优良催化性能的基础.强金属–基体相互作用(SMSI)不仅可以将单原子限制在基体表面,亦会影响整个催化过程.目前应用于单原子催化剂的基体种类很多,如金属氧化物、金属以及其他材料,而对SMSI认知则主要分两大类,一类是源自于基体表面的结构缺陷,另一类是源于其电子缺陷.从目前的发展状况来看SMSI机制仍有很多疑惑尚未解决,例如对电子转移影响的认知等.理论研究表明,在某些反应中非贵金属单原子展示出可替代贵金属的催化性质.比如,在一氧化碳优先反应(PROX)中,单原子钴和钛展示出的催化性能可与贵金属相媲美;理论计算同样证明单原子镍在一氧化碳还原中的催化活性比单原子铱优秀,甚至与单原子铂类似.大量的实验进展也报道了非贵金属单原子同样能在其他反应中展现出优异的性能,如氧析出反应(OER)、氢析出反应(HER)和氧还原反应(ORR).对于单原子催化剂,还有很多问题需要我们去解决,例如基体对于催化过程的具体影响、非贵金属的电子结构对于其催化性能的影响,以及单原子在基体上产生相互作用的位点等问题.纵然有许多问题需要更加深入的研究,但是单原子概念的出现,使得非贵金属催化剂材料取代传统贵金属催化剂成为了可能.     

非贵金属催化剂在羟甲基糠醛电氧化增值中的应用

羟甲基糠醛是呋喃类化合物,具有价格低廉及来源广泛的优点,可作为平台化合物用于制备其它高附加值产品.传统的热催化氧化增值方法需要高温、高压及贵金属催化剂,造成经济效益的下降.而电氧化方法不需要高温、高压条件;同时,通过对电催化剂的合理设计,非贵金属催化剂表面的羟甲基糠醛选择性转化已经得以实现,从而避免使用大量贵金属.因此,通过电氧化方法对羟甲基糠醛平台化合物进行高附加值转化受到了广泛关注.在羟甲基糠醛氧化的多种产物中,羟基和醛基被全部氧化为羧基的产物——2,5-呋喃二甲酸,被美国能源部列为“最具有价值的12种生物质衍生化学品”之一.鉴于此,本文介绍了羟甲基糠醛电氧化增值生产2,5-呋喃二甲酸的重要研究价值及相关非贵金属电催化剂的最新进展,并对催化羟甲基糠醛电氧化反应的非贵金属催化剂的发展前景进行了展望.     

电化学合成氨研究进展

氨是化学工业中最高产量的化学品之一,在全球经济中占重要地位.传统的合成氨工艺是Haber-Bosch法,该方法具有工作压力高、能耗高、转化率低以及CO_2排放量大等缺点.氮气电化学还原合成氨可以在常压条件下进行,并可由可再生电力提供动力,被认为是最有希望的Haber-Bosch工艺替代方法之一.本文概述了高温(t500℃)、中温(100℃t500℃)和低温(t100℃)下电化学合成氨的研究工作进展,并对电化学合成氨的发展趋势进行了预测.     

基于BiOCl-Fe2O3@TiO2介孔复合材料的光电化学合成氨性能研究

传统合成氨工艺存在能耗高、污染严重的问题. 因此, 高效、低能耗绿色合成氨工艺的开发迫在眉睫. 光电化学以H₂O和N₂为原料, 可以在太阳光驱动下, 在常温常压条件下实现氨的合成, 因而受到广泛重视. 但总的来说, 效率和产率都达不到实际要求. 新型高效催化剂及工艺的开发是提高合成氨产率及效率的关键. 非贵金属催化剂具备成本低、来源广泛、可操作性强的优势, 有利于光电化学合成氨的产业化. 本实验采用溶胶凝胶结合原位热裂解的方法制备了分散性好、结构均匀的BiOCl-Fe₂O₃@TiO₂复合材料, 对其物相、微观结构、表面状态、光学性能、电学性能等方面进行了系统表征, 并探究了该材料在常温常压下光电化学合成氨的催化活性. 结果表明, 同纯介孔TiO₂相比_, BiOCl-Fe₂O₃@TiO₂的吸收带隙变窄, 可见光吸收能力增强, 光生载流子的利用率增加, 光电合成氨的产率提升了7倍, 且BiOCl-Fe₂O₃@TiO₂显示了优异的化学稳定性. 本研究工作为绿色合成氨催化材料及工艺设计提供了新思路.     

非贵金属催化剂上CO氧化的研究与进展

非贵金属催化剂催化CO氧化反应研究,不仅拓展了非贵金属的应用,而且为探求可替代贵金属催化CO氧化反应的催化剂提供了新机遇,成为当前催化研究中的热点课题之一。本文综述了近年来铜、钴等非贵金属催化剂体系催化CO氧化反应的研究进展。     

非贵金属催化剂上CO氧化的研究与进展

非贵金属催化剂催化CO氧化反应研究,不仅拓展了非贵金属的应用,而且为探求可替代贵金属催化CO氧化反应的催化剂提供了新机遇,成为当前催化研究中的热点课题之一。本文综述了近年来铜、钴等非贵金属催化剂体系催化CO氧化反应的研究进展。     

包覆型非贵金属氧还原催化剂的研究进展

燃料电池中广泛使用的铂基催化剂价格昂贵、储量低、容易失活,因此亟待开发廉价、高效非铂催化剂. 过渡金属(Fe、Co、Ni等)/杂原子共掺杂催化剂、杂原子掺杂（N、P、S、F等）碳材料以及碳材料包覆过渡金属复合物是目前发现的几类性能优异的非贵金属氧还原催化剂. 其中碳材料包覆过渡金属催化剂作为一类新型的高性能催化剂,对其研究还有待深入. 本文主要阐述了国内外在包覆型非贵金属氧还原催化剂方面的研究进展,从合成,性能,机理等方面对该类催化剂进行了总结,力求助益于该类催化剂的发展.     

Single‐Atom Catalysts for the Electrocatalytic Reduction of Nitrogen to Ammonia under Ambient Conditions

Powered by renewable electricity, the electrochemical reduction of nitrogen to ammonia is proposed as a promising alternative to the energy‐ and capital‐intensive Haber–Bosch process, and has thus attracted much attention from the scientific community. However, this process suffers from low NH₃ yields and Faradaic efficiency. The development of more effective electrocatalysts is of vital importance for the practical applications of this reaction. Of the reported catalysts, single‐atom catalysts (SACs) show the significant advantages of efficient atom utilization and unsaturated coordination configurations, which offer great scope for optimizing their catalytic performance. Herein, progress in state‐of‐the‐art SACs applied in the electrocatalytic N₂ reduction reaction (NRR) is discussed, and the main advantages and challenges for developing more efficient electrocatalysts are also highlighted.     

Advanced Non-metallic Catalysts for Electrochemical Nitrogen Reduction under Ambient Conditions

The electrochemical reduction of nitrogen into ammonia under ambient conditions is a potential strategy for sustainable ammonia production. At present, one of the main research directions in the field of electrochemical nitrogen fixation is to improve the current efficiency and ammonia yield by developing efficient nitrogen reduction catalysts. To optimise the selectivity and catalytic activity of nitrogen reduction catalysts more efficiently, herein, we systematically summarise the progress of research on nitrogen reduction catalysts in recent years and present some general catalyst design strategies. Considering that it is difficult for metal-based catalysts to balance the competitive reactions of nitrogen activation and hydrogen evolution, we discuss in detail the advantages and application prospects of non-metallic catalysts in electrochemical nitrogen fixation. Moreover, both the design strategy of surface or interface defects, and how this atomic-level control of functionalisation helps to promote selectivity and catalytic activity are also discussed by theoretical and experimental electrochemistry. On this basis, we also discussed the future development direction, opportunities and challenges of nitrogen reduction electrocatalysts.     

氨合成催化剂及其催化反应机理研究进展

本文综述了氨合成这一最重要的工业多相催化过程80 多年来的研究进展。介绍了氨合成熔铁催化剂、氨合成钌催化剂的发展以及对氨合成催化反应机理的不同看法。     

负载型廉价金属催化剂在低温催化氧化甲醛中的应用

甲醛是室内常见的挥发性有机污染物之一,长期接触会严重危害人体健康.负载型廉价金属催化剂在甲醛去除和实际应用方面表现出优异性能,引起研究人员的广泛关注.本文阐述了低温条件下负载型廉价金属催化剂在甲醛热催化氧化、光催化氧化和等离子协同催化氧化方面的研究进展,介绍了甲醛低温催化的影响因素,并讨论了反应机理.反应条件、载体类型...     

氨硼烷释氢纳米金属催化剂的研究

化学储氢材料要求具有高的氢存储容量。氨硼烷（NH₃BH₃,AB）的氢含量高达19.6 wt%,是一种具有潜在应用前景的氢存储介质。AB的水解释氢容量高达7.8 wt %,热解释氢则可释放出19.6 wt %的氢,显示出其在化学储氢方面的巨大潜力。在AB释氢研究中,催化剂是研究的核心技术和重要方向。由于纳米催化剂在AB释氢中所表现出的优良催化性能,本文将对氨硼烷释氢纳米金属催化剂及其性能的研究进行全面的总结和展望。     

Highly Efficient Electrochemical Nitrate and Nitrogen Reduction to Ammonia under Ambient Conditions on Electrodeposited Cu-Nanosphere Electrode

The electrochemical reduction reaction of nitrogenous species such as NO₃⁻ (NO₃RR) and N₂ (NRR) is a promising strategy for producing ammonia under ambient conditions. However, low activity and poor selectivity of both NO₃RR and NRR remain the biggest problem of all current electrocatalysts. In this work, we fabricated Cu-nanosphere film with a high surface area and dominant with a Cu(200) facet by simple electrodeposition method. The Cu-nanosphere film exhibits high electrocatalytic activity for NO₃RR and NRR to ammonia under ambient conditions. In the nitrate environment, the Cu-nanosphere electrode reduced NO₃⁻ to yield NH₃ at a rate of 5.2 mg/h cm², with a Faradaic efficiency of 85 % at −1.3 V. In the N₂-saturated environment, the Cu-nanosphere electrode reduced N₂ to yield NH₃ with the highest yield rate of 16.2 μg/h cm² at −0.5 V, and the highest NH₃ Faradaic efficiency of 41.6 % at −0.4 V. Furthermore, the Cu-nanosphere exhibits excellent stability with the NH₃ yield rate, and the Faradaic efficiency remains stable after 10 consecutive cycles. Such high levels of NH₃ yield, selectivity, and stability at low applied potential are among the best values currently reported in the literature.     

钌基氨合成催化剂的制备方法

与铁催化剂相比较,钌基氨合成催化剂具有低温、低压、高活性的特点。对于不同的载体、制备方法和制备条件对催化剂性能影响较大。本文从载体的前处理、活性组分钌和助剂的加入方式等方面简要阐述了钌基氨合成催化剂制备方法的研究进展,介绍了熔融法、升华法、离子交换法、超声法、沉淀法、溶胶-凝胶法、浸渍法、微波辅助法等钌基氨合成催化剂制备方法,指出了一些制备方法的不足之处,并展望了钌基氨合成催化剂制备方法的研究方向。     

Comprehensive Mechanism of CO2 Electroreduction on Non-Noble Metal Single-Atom Catalysts of Mo2CS2-MXene

In this work, a series of non-noble metal single-atom catalysts of Mo₂CS₂-MXene for CO₂ reduction were systematically investigated by well-defined density-functional-theory (DFT) calculations. It is found that nine types of transitional metal (TM) supported Mo₂CS₂ (TM-Mo₂CS₂) are very stable, while eight can effectively inhibit the competitive hydrogen evolution reaction (HER). After comprehensively comparing the changes of free energy for each pathway in CO₂ reduction reaction (CO₂RR), it is found that the products of TM-Mo₂CS₂ are not completely CH₄. Furthermore, Cr-, Fe-, Co- and Ni-Mo₂CS₂ are found to render excellent CO₂RR catalytic activity, and their limiting potentials are in the range of 0.245–0.304 V. In particular, Fe-Mo₂CS₂ with a nitrogenase-like structure has the lowest limiting potential and the highest electrocatalytic activity. Ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations have also proven that these kinds of single-atom catalysts with robust performance could exist stably at room temperature. Therefore, these single TM atoms anchored on the surface of MXenes can be profiled as a promising catalyst for the electrochemical reduction of CO₂.     

合成氨催化剂研究的新进展

 近20多年来,随着英国BP公司钌基催化剂的发明和我国亚铁基熔铁催化剂体系的创立,标志着合成氨催化剂进入了一个新的发展时期,由唯一的传统Fe3O4路线发展为三条技术路线,并各自取得了重大进展．本文扼要介绍了Fe3O4基传统催化剂和钌基催化剂的主要研究成果和发展趋势,着重综述了我国独创的Fe1－xO基熔铁催化剂的发现及其高活性机理探讨方面的研究成果．回顾了20世纪合成氨工业及其催化剂从创立、发展,到取得辉煌成就的历程,展望了21世纪的发展趋势．     

催化氧化技术在可挥发性有机物处理的研究

挥发性有机物（VOCs）是一类具有毒性且对环境和人体健康产生威胁的有机化合物。目前催化氧化技术是有效净化VOCs的方法之一,它可以将VOCs转化为CO₂和H₂O。本文在总结国内外VOCs净化技术的基础上,着重介绍了催化氧化技术,并且对常用的催化剂种类、催化机理及存在的问题进行了总结。最后对催化氧化技术的发展趋势进行了展望。研究结果表明,贵金属催化剂的研究关键在于有效载体的选择及催化剂抗中毒性能的提高;与贵金属催化剂相比,钙钛矿和尖晶石等非贵金属催化剂的发展趋势为通过改变催化剂配方、催化剂形貌结构、活性组分粒径大小及比表面积等来提高催化剂的低温可还原性、储氧能力和氧缺陷,进而提高其催化性能。本文的评述将为选择合适的催化剂处理VOCs提供一定的参考基础。