基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。     

光热协同效应在催化反应中的应用研究进展

近几年,随着催化研究的逐渐深入,将两种或多种手段耦合,能够明显地改善催化性能,其中光热协同催化是当前新型催化技术研究的焦点.我们介绍了光热协同催化在能源合成领域的应用,尤其在光热催化CO_2转化、污染物降解、制氢和费托合成等反应.研究结果表明,两者的有效结合可以超越单独热催化或光催化所能达到的效果,在某些反应中能够明显提高产物的收率,改善目标产物的选择性以及降低反应的温度.最后还展望了光热协同催化发展的前景,以及目前仍然面临反应机理尚不明确和合适催化剂的筛选等问题.     

金属催化剂光热催化CO2还原的研究进展

CO2的过量排放导致温室效应对环境的影响越来越严重,通过电催化、光催化、热催化、光热催化或光电催化将CO2还原成高附加值的化学品是解决CO2排放的有效途径.其中, CO2的光热催化转化是当前的主要研究领域之一.我们对光热催化进行了总结分类:热助光、光助热、光驱热和光热协同催化,并详细介绍相应的催化机理,总结了金属催化剂用于光热催化CO2还原的最新研究进展,最后提出了光热催化面临的挑战与展望.     

光热催化还原二氧化碳反应器研究进展

光热催化还原技术是二氧化碳资源化的研究热点之一。设计高效的新型催化剂材料,是构建有效的光热催化反应体系的重要内容,而开发与催化材料适配的反应器,则可以最大化地发挥催化剂的性能,是光热催化放大反应的关键。本文综述了光热催化反应器的不同形式,讨论了光热催化关键变量温度、光照、给料类型和运行方式对反应器设计的影响。总结了反应器设计的局限性和挑战性,为光热催化还原二氧化碳的技术发展提出了展望。     

生活垃圾释放挥发性有机化合物的仪器分析方法研究进展

综述了国内外生活垃圾样品的采集及仪器分析方法,比较了各种方法的优劣,同时列举了现场仪器检测的应用,以期对我国城市生活垃圾产生的恶臭污染控制提供技术支持.     

利用光热耦合下的光电导研究TiO2光热催化还原CO2（英文）

利用太阳能缓解能源危机和解决环境污染,是当前和未来的全球性课题.其中,光催化技术的研究步伐日渐加快.这不仅体现在光催化材料种类的增加,更体现在以光催化为基础的多场协同催化,特别是光热耦合作用成为增强光催化性能的一种高效、可靠的方法.氧空位的引入不仅可以拓宽催化剂对可见光的吸收、抑制载流子的复合、促进反应物的吸附以及降低反应的活化能,而且对于光热协同催化效率的提升有着重要的贡献.然而,目前光热协同催化的表征多局限于常规的光催化手段.开展光热耦合下的测量技术对深刻理解光热催化是十分必要的.本文研究温度、气氛、氧空位浓度对TiO2光电导的影响,构建光电导与光热催化活性之间的关系.我们将商用的ST-01 TiO2制成浆料,利用丝网印刷法将浆料覆盖在刻有沟槽的FTO上,并通过N2/H2混合气不同温度退火,得到不同氧空位含量的TiO2薄膜(Ov-TiO2).采用紫外-可见光谱(UV-Vis),拉曼光谱(Raman),电子顺磁共振(ESR)等手段对样品进行了表征.结果表明,N2/H2退火温度越高,氧空位浓度越高.我们对不同浓度氧空位的样品进行了光催化及光热协同催化CO2还原实验.结果表明,适量氧空位的样品(H2-150)光催化还原CO2性能最差,但光热协同催化还原CO2的性能最佳.我们对其光电导值的衰减情况进行了分析,看到H2-150样品在CO2气氛、光热条件下,电导衰减加快.由于光电导的衰减是由电荷复合和电荷参与的表面反应共同决定的,为确定是哪一因素决定了电导的衰减,我们进一步测试了H2-150样品在N2气氛下的电导衰减情况.结果发现,H2-150样品在N2气氛、光热条件下电导衰减反而变慢.这表明,造成H2-150样品在CO2气氛、光热条件下的电导衰减加快是光热条件下CO2还原速率加快,也验证了H2-150具有较好的光热催化CO2活性.与H2-150样品不同的是,大量氧空位样品(H2-350)在CO2气氛、光热条件下电导衰减反而变慢,我们认为这是由于H2-350存在深能级缺陷,在热的作用下会将捕获的电子释放,因此延缓了光电导的衰减.但由于深能级电子的还原能力较弱,所以H2-350样品的光热CO2还原活性稍逊于H2-150.综上所述,在光热电导与光热催化相关的研究中,我们证实了在Ov-TiO2中被捕获的电子在热激发下可再次向导带弛豫,从而解释了Ov-TiO2优异的光热催化性能.因此,光热电导的研究在理解光热催化方面具有重要的前景.     

大气环境中挥发性有机化合物的测定

 参考美国环保局大气中挥发性有机化合物 (VOCs)的标准分析方法TO14A和TO15 ,采用预浓缩器与气相色谱联用 ,以质谱或氢火焰离子化检测器检测 ,建立了 5 6种VOCs(主要是臭氧前体物 )的快速分析方法。该方法在同一台仪器上采用单柱、单检测器 ,准确测定了高浓度CO2 下的VOCs。方法检出限为 0 1μg·m-3 ,相对标准偏差(RSD)为 2 5 7%～ 9 82 %。用该法分析了实际大气样品中的VOCs,结果令人满意。     

平衡均匀水平试验确定挥发性有机化合物测量方法的精密度

挥发性有机化合物通常使用吹扫捕集色谱法检测。在7家协作实验室进行平衡均匀水平试验,测定了水中氯乙烯、1,1-二氯乙烯、二氯甲烷、反-1,2-二氯乙烯、1,1-二氯乙烷、氯仿、1,1,1-三氯乙烷等24种挥发性有机化合物。测量结果经一致性和离群值检验后,计算得重复性标准差范围为0.085～5.350μg/L,再现性标准差范围为0.096～7.737μg/L。对标准差和平均值拟合函数关系,得到精密度最终值。     

光热催化甲烷干重整研究进展

随着工业化的推进,化石能源的消耗产生大量温室气体,其中CH₄和CO₂占据温室气体排放的98%以上。将CH₄和CO₂转化为高附加值化学品具有重要的意义,一直受到工业界和学术界广泛关注。传统的热催化甲烷干重整(DRM)可实现将CH₄和CO₂转化为合成气,但该反应过程受热力学限制,需要很高的能量输入,并且由于反应温度较高,催化剂易发生积碳而失活。绿色环保的光催化技术可以使甲烷干重整反应在温和条件下进行,但是存在太阳光利用率和反应转化率较低等问题。最近光热协同催化受到学术界广泛关注。许多研究结果表明,在相对温和的条件下,光热催化DRM可以获得良好的催化效果,可有效实现太阳能转化为化学能。本文简要介绍近期光热催化甲烷干重整反应的研究进展,总结不同金属催化剂在光热催化甲烷干重整中的应用,同时提出了光热催化甲烷干重整存在的一些挑战及展望。     

基于锌锗二元氧化物的光热协同分解CO2研究

本工作为非Ti基光热协同材料研究,使用溶液沉淀法制备了ZnO/Zn₂GeO₄复合材料（Z/ZGO）应用于光热协同分解CO₂.使用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射技术（XRD）、紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段对材料的形貌、光响应以及氧空位对反应的影响进行研究.锌锗二元氧化物复合材料综合两种半导体的优势,形成异质结,扩展了材料光谱响应范围,提高了材料氧空位形成能力,使得CO产率提高至单纯ZnO样品的5.55倍,并具有较好的循环稳定性.对扩展光热协同催化材料体系,进一步深化光热协同反应机理以及提升反应产率具有一定的前瞻和指导作用.     

Recent advances in 1D nanostructured catalysts for photothermal and photocatalytic reduction of CO2

The development of photocatalysts that can efficiently convert CO₂ into other valuable chemicals via photocatalytic and photothermal processes is critical to the current energy and climate change problems. However, low separation of charge carriers, short light absorption, and low activation of CO₂ molecules in photocatalysis limit the catalysts’ performance. Designing 1D heterostructures containing multiple materials can be a viable solution as their unique properties, such as high surface area, short diffusion paths of charge carriers, and enhanced light absorption properties, can potentially promote the reaction rate and product selectivity. In this review, we summarize the general features of heterostructures involving nanotubes, nanowires, nanorods, and nanobelts. Next, the main synthesis strategies are briefly highlighted, followed by the most important findings concerning their catalytic activity in the photothermal and photocatalytic CO₂ reduction processes. The article concludes with some of the current challenges and potential solutions.     

Recent advances in asymmetric phase-transfer catalysis

The use of chiral nonracemic onium salts and crown ethers as effective phase-transfer catalysts have been studied intensively primarily for enantioselective carbon-carbon or carbon-heteroatom bond-forming reactions under mild biphasic conditions. An essential issue for optimal asymmetric catalysis is the rational design of catalysts for targeted reaction, which allows generation of a well-defined chiral ion pair that reacts with electrophiles in a highly efficient and stereoselective manner. This concept, together with the synthetic versatility of phase-transfer catalysis, provides a reliable and general strategy for the practical asymmetric synthesis of highly valuable organic compounds.     

Recent advances in water-mediated multiphase catalysis

Water is the most sustainable solvent, making it the obvious choice to replace organic solvents in various synthesis techniques. However, its applications in the chemical and pharmaceutical industries are often restricted by the low solubility of organic compounds in water. Essentially, the reactions of organic compounds in water are multiphase systems. Therefore, this review classifies aqueous-phase organic reactions into liquid–liquid, liquid–solid and gas–liquid–solid phase from the perspective of phase interfaces of multiphase reactions, and summarizes the research progress and breakthroughs in recent years, including the application of micellar catalysis, Pickering emulsion catalysis, micro-nanobubble/foam catalysis and “dry water” catalysis, as well as the unique advantages of using water as a medium. Finally, we point out the current challenges and future perspectives on multiphase catalysis in aqueous-phase reactions.     

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(PM_2.5)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[M_1-x²⁺M_x³⁺(OH)₂](A^n-)_x/n·mH₂O.鉴于LDHs特有的结构特点,层板元素可调、比...     

锰基氧化物与冷等离子体协同催化氧化VOCs研究进展

挥发性有机化合物(VOCs)对环境的严重污染和对人体的危害引起了人们的重视。冷等离子体与催化剂耦合形成的协同效应可显著提高VOCs低温转化速率,减少二次污染和降低能耗,具有较好的应用前景。协同催化效果主要取决于催化剂物化性能,可通过调控催化剂的组成、粒径和结构改善协同催化活性。锰基氧化物因其具有较高的储氧能力、稳定的晶体结构、较好的氧气活化性能和良好的抗中毒能力等优点而被广泛应用于冷等离子体协同催化净化VOCs的应用研究。通过金属离子掺杂调控锰基氧化物的离子价态、氧迁移率和氧气吸附量,是改善催化剂与等离子体协同催化性能主要方法。本文总结了近年来锰基氧化物与冷等离子体协同催化氧化VOCs的研究进展,主要包括氧化锰晶型、分散度和掺杂金属离子对协同催化氧化VOCs的活性影响趋势及反应机理。分析冷等离子体与锰基氧化物催化剂协同氧化VOCs中存在的问题并对其发展前景进行了展望。     

DESORPTION OF VOCs FROM POLYMERIC ADSORBENTS UNDER MICROWAVE FIELD

1. INTRODUCTION Nowdays the volatile organic compounds (VOCs) have become important pollutants to air [1]. The source of these wastes is very wide. The leakage of the VOCs from chemical and pharmaceutical manufacturing, printing processes, paint and adhesive manufacturing and applications, composites and fiberglass molding etc. is the source of the pollutants. A number of adsorbents are capable of capturing a wide range of VOCs. However, the conventional process of regenerating …     

Recent advances in photothermal and RNA interfering synergistic therapy

As a new treatment technique,photothermal therapy(PTT) has aroused worldwide attention in cancer treatment,mainly due to its excellent absorption ability,easy regulation,and biodegradability.Photothermal conversion materials with enhanced permeability and retention effect can be targeted easily to tumor tissue.They can accumulate efficiently to tumor tissues and allow normal tissues and organs not to be affected by temperature,thus significantly helping to reduce the systemic toxicity and improve the antitumor effect.However,PTT alo ne often suffers from the rapeutic resistance and reduced therapeutic efficacy,due to photothermal nanomaterial-mediated fundamental cellular defense mechanism of heat shock response,which could be inhibited by small interfering RNA(siRNA).Nevertheless,photothermal conversion materials as an excellent siRNA delivery carrier may conside rably enhance the delivery efficiency of siRNA.Therefore,photothermal and RNA interfering(RNAi) synergistic therapy has recently aroused extensive attention in tumor treatment.In this review,we mainly summarize the recent advances of photothermal and RNAi synergistic therapy,including some synergistic therapeutic nanoplatforms of inorganic and organic photothermal materials and other combined therapies such as combining with small molecular antitumor agents or PDT/imaging.The combination of various treatment techniques may considerably improve the synergistic therapeutic effect of PTT and RNAi in the treatment of cancers.     

气相金属催化反应综述

金属催化剂在工业、环境、能源以及生物等过程具有重要的应用.设计具有特定活性、环境友好型以及室温下具有反应活性的催化剂,需要在分子水平对金属催化剂的基元步骤,活性位点的结构以及催化反应微观机理有充分的认识.然而,由于宏观催化剂表面结构异常复杂,催化反应常受到溶剂、压力、金属颗粒团聚、催化剂表面缺陷等因素的干扰,利用现有实验仪器,从微观角度探索金属催化反应机理仍具有较大挑战,因此,对金属催化剂活性位的结构以及反应微观机理的认识还不十分清楚.质谱方法结合现代量子化学理论计算,提供了在气相条件下实验探索化学反应微观机理的有力工具,团簇反应可在隔离外界条件、可控以及可重复条件下进行,可以排除一些难以控制因素的干扰,可在化学键和分子结构水平认识金属活性位的结构以及催化反应的微观机理.气相金属团簇离子可用多种实验方法制备,与反应物分子反应后可利用多种质谱仪器探测,根据实验上所得的具有反应活性的团簇,结合现代量子化学理论模拟,得到金属催化反应的基元步骤以及微观反应机理信息,所得反应机理信息为宏观催化剂的设计提供重要理论研究基础.本综述总结了团簇实验上已经探测到的金属单原子离子、金属团簇、金属氧化物团簇和金属化合物催化的气相反应.反应物分子囊括了大量的无机和有机分子,包括CO,H2,CH4,C2H2,C2H4,C6H6,CH3OH,HCOOH,CH3COOH等.本综述主要介绍了以下三类催化反应:(1)CO催化氧化;(2)CH4催化转化;(3)催化脱羧反应,并重点关注贵金属单原子掺杂团簇独特的催化反应性.单原子催化剂可最大限度地利用有限的贵金属.在化学反应方面,单原子催化剂具有特异的反应活性,选择性以及稳定性.本综述对气相团簇反应中报道的两个重要的贵金属单原子掺杂团簇的催化反应进行了详细介绍:(1)金原子掺杂的AuAl3O3-5+团簇为首次报道的可以利用分子氧催化氧化CO的团簇单原子催化剂,我们对Au原子起催化作用的本质原因进行了介绍:(2)铂原子掺杂的PtAl3O5-7-团簇能利用分子氧催化氧化CO,该研究提出了"电负性阶梯"效应来解释Pt原子催化的微观机理,且此效应有望对大部分贵金属适用.此外,本综述对CO催化氧化反应和CH4催化转化反应的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析.相比CO的催化氧化反应,科学家对CH4催化转化反应机理的认识还不够深入,还需要进一步实验研究,而团簇单原子催化剂有望在此领域有所突破.