基于多金属氧酸盐催化剂的光驱动产氢研究进展

能源和环境问题是21世纪人类面临的两个巨大挑战.鉴于此,为了实现人类社会的可持续发展,寻求能够替代化石能源的安全无污染可再生能源已迫在眉睫.太阳光驱动水分解是实现太阳能转化生产清洁可再生氢能的理想方法,其分解产物氢气和氧气在燃烧释放能量的同时生成洁净无污染的可饮用水,实现了完美的可持续能量循环,对于解决当今全球面临的能源危机与环境污染问题具有巨大的应用价值.然而,长期以来光驱动水分解所面临的巨大难题是半反应动力学非常缓慢,通常需要克服较高的能量势垒,导致整体能量转化效率低.利用非贵金属制备高催化效能、低成本的水分解催化材料成为该领域的研究热点和难点.目前,已报道的光驱动产氢催化剂可以被归纳为两大类:均相催化剂和异相催化剂.均相催化剂通常具备高催化活性、高选择性以及易于进行机理研究等优点,而异相催化剂则具备廉价、易得和高稳定性等优点;然而它们也存在一些不容忽视的问题,如均相催化剂的低稳定性、易分解失活,异相催化剂表面易被毒化失活、低催化转化数及转化频率等.如何设计合成兼具二者优点的产氢催化剂吸引了领域内研究者的广泛关注.作为一类新兴的多电子转移催化剂,多金属氧酸盐因其丰富多样的合成策略以及高度可调的物理化学及光化学性质,已被广泛用于催化水分解制氢气研究.该类多金属氧酸盐催化剂具备了介于均相分子化合物和异相金属氧化物之间的结构,这种独特的结构赋予它们同时具备均相分子催化剂的高活性、高选择性、高可控性、易于进行机理性研究等优点,又具备异相金属氧化物催化剂的廉价易得及稳定性高等优势.随着研究的开展,基于多金属氧酸盐的光催化产氢体系已由当初的贵金属辅助逐渐转变为丰产元素参与,光源的选择方面也从与太阳光谱匹配度低的紫外光转变为可见光.本文对30多年来基于多金属氧酸盐催化剂的光驱动产氢成果进行了综述,主要包括有/无贵金属辅助的多金属氧酸盐,多酸@金属有机框架复合物,多酸-半导体复合材料在紫外光或可见光条件下的光催化产氢研究;同时讨论总结了不同类型催化体系的反应机理;并对该领域的未来发展趋势及研究方向进行了展望.     

Strandberg-type型多金属氧酸盐的研究进展（英文）

作为多金属氧酸盐材料的重要分支,Strandberg型多金属氧酸盐(例如,[P_2Mo_5O_(23)]~(6-))近些年来由于其独特的与催化、药物、电化学、磁学、荧光相关的结构和性质引起了化学家的广泛关注.Strandberg型多金属氧酸盐有相对小的尺寸,这可能形成不同的架构和稳定的团簇,除了六氧化钼八面体,突出的{PO_4}部分仍然和金属-有机部分配位,这使得它易于构建有机-无机复合材料.本文对Strandberg型多酸的结构特征、合成方法、一系列重要应用和在该领域的应用前景进行了综合的概述.     

基于多金属氧酸盐和贵金属的纳米复合材料的研究进展

基于多金属氧酸盐和贵金属纳米粒子的纳米复合材料,既具有多金属氧酸盐(POMs)可调控的多样结构、丰富的组成、高的电荷密度及可逆的氧化还原性,又具有贵金属纳米材料良好的生物相容性、高的光学活性和催化活性等特性,这些性质使基于POMs和贵金属纳米的复合材料能够应用于催化、生物医药、生物传感等领域.本文作者主要论述近年来基于多金属氧酸盐和贵金属的纳米复合材料的合成、性质及应用的研究现状,并对其前景进行展望.     

多金属氧酸盐及其溶液自聚集行为研究进展

多金属氧酸盐(POM)是一类由过渡金属与氧原子桥连而成的阴离子簇合物,由于其特殊的分子结构及优异的物理化学性质,使其在催化、医药、材料科学、表面化学、超分子化学等领域有广泛的应用价值。 POM在稀的水溶液中能够发生自聚集,形成类似两亲分子溶液中的“有序聚集体结构”,赋予其新的结构和性质,以期开发出新型纳米器件及在催化、药物等领域得到应用。 本文介绍了POM的主要结构、性质和近年来的应用,阐述了其在溶液中自聚集行为的研究状况和新进展。     

多金属氧酸盐催化烯烃环氧化研究进展

综述了以过氧化氢为氧源,多金属氧酸盐催化烯烃环氧化的研究进展,尤其是针对基于多金属氧酸盐的反应控制相转移催化体系近年来的研究进展进行了详细阐述.     

多金属氧酸盐纳米材料的研究进展

多金属氧酸盐纳米材料是一类新型功能材料,由于其具有多酸的强氧化性和强酸性等优异性能,又具有纳米材料的功能特点,在催化合成和药物抗菌等方面具有重要意义。本文综述了近年来多酸纳米材料的合成与应用方面的进展,并对其化学合成的未来及应用进行了展望。     

多金属氧酸盐材料在二氧化碳电催化还原领域中的研究进展（英文）

随着工业发展和全球人口的持续增长,人类对化石燃料的消耗日益增加,从而导致大气中二氧化碳含量的显著增加以及与之相伴的一系列环境问题.电化学还原二氧化碳制备高附加值的燃料和化学品具有稳定的效率和较高的经济可行性等特点,目前已成为一种有前景的策略来缓解当前全球面临的能源短缺和气候变暖问题.然而,电催化二氧化碳还原过程存在反应能垒高和复杂的多电子/质子耦合过程等不足,因此,合理有效的电催化剂设计成为该领域的关键问题.近年,理解和明确电化学二氧化碳还原反应过程的活性起源、选择性调控机制和催化反应机理已成为高效电催化剂设计过程中的重要指导原则.作为一类独特的纳米尺度的金属氧簇,多金属氧酸盐(多酸)已成为二氧化碳还原领域的热点材料.尤其是,多酸明确的结构、优越的电子/质子存储转移能力和二氧化碳吸附活化能力有助于探究二氧化碳还原反应过程中的活性起源和构效机制.因此,利用多酸阐明电化学二氧化碳还原反应中的这些关键问题对于开发高效、可实用化的电催化剂意义重大.本文综述了近年多酸在电催化二氧化碳还原反应中取得的进展,重点介绍了多酸阴离子均相分子催化剂、多酸基无机-有机杂化材料催化剂、多酸电解质溶液、多酸-纳...     

多金属氧酸盐材料在电化学检测方面的研究进展

多金属氧酸盐因其可调控的化学组成、丰富的电子结构和优异的物理化学性能而成为非常有应用前景的一类材料.近年来,多金属氧酸盐被用于设计多种多样的功能材料,在电学、催化、生物学等多个领域都有广泛的应用.电化学检测由于其响应时间快、成本低、灵敏度高等诸多优点而成为环境科学、生命科学等领域的研究热点之一,在检测环境污染物和生物分...     

多金属氧酸盐作为水氧化催化剂的研究新进展

具有丰富拓扑学结构和电子性质的多金属氧酸盐（POM）是许多有机反应的有效催化剂.近几年来,这种纯无机网络结构的POM催化剂被拓展应用到了水氧化析出氧气的研究热点领域,并展示了良好的催化活性.本论文综述了近几年POMs基材料在水氧化领域应用的最新进展.从结构和效能方面,论述了Ru和Co等金属修饰的POM类催化剂,尤其集中在包含四核Ru和四核Co的Sandwich型结构的POM,结构式分别为[Ru4O4（OH）2（H2O）4（γ-SiW10O36）2]10-和[Co4（H2O）2（α-PW9O34）2]10-.这类金属修饰的POM对水氧化产生氧气显示了较好的电催化或光催化活性.然而,依然需要进一步深入的研究工作来阐述整个催化反应机制,以达到优化催化反应体系的目的.本论文也着重综述了水氧化的最新发展趋势：以离子液体作为电解液来调控水自身的环境,从而促使水氧化.另外,本论文也展望了POM基材料在水氧化领域的未来发展趋势.     

多金属氧酸盐的氧化性及氧化催化作用研究新进展

结合作者近期工作，从分子及原子水平上评述了同多与杂多金属氧酸盐的氧化性及其氧化还原催化作用研究的新进展．     

铌多酸三维框架材料的研究进展

铌多酸三维框架材料是近年来无机合成化学与材料化学领域的研究热点. 该类材料不但可以将铌多酸的优异特性与框架结构的优点复合起来, 而且在光催化、 主客体化学、 能源转化等领域具有重要的应用前景. 本文总结了近10年来铌多酸三维框架材料的研究进展, 包括了该类材料的合成策略、 结构调控、 性质及应用探索. 此外, 还对当前该类材料的发展所面临的挑战进行了总结, 并对其发展前景进行了展望.     

有机官能化的多金属氧酸盐研究进展

多金属氧酸盐化学是无机化学的一个重要研究领域,至今已有一百多年的历史.由于具有新奇的结构和性质,使其在许多领域都有着广泛的应用.近年来在催化化学、药物化学及材料化学等方面的应用研究表明,多金属氧酸盐具有十分广阔的应用前景,其结构的发展已经引起了人们的极大关注.总结并评述了有机官能化多金属氧酸盐杂化材料领域的研究进展.     

多金属氧酸盐催化的液相氧化反应

介绍了多金属氧酸盐的结构和性能, 综述了这类化合物具有的多功能性和可调性,并对它们与环境温和、经济廉价的条件（溶剂,氧化剂等）的良好兼容性等特点进行了概述。多金属氧酸盐可以在原子/分子层次上进行催化剂的设计,在绿色催化和清洁生产等方面具有良好的应用前景。文本总结了多金属氧酸盐在液相清洁催化氧化方面的进展,主要针对以过氧化氢和分子氧为氧化剂的烯烃类化合物的环氧化反应、烷烃和芳香族化合物的氧化反应,并详细探讨了此类氧化反应的反应机理。同时也关注了多金属氧酸盐在仿生催化领域的应用。     

基于水溶性多金属氧酸盐的光催化燃料电池

以水溶性多金属氧酸盐作为光催化剂和电子载体构建了一种新型光催化燃料电池.该光催化燃料电池发生燃料的均相光催化降解反应,可实现在无光照情况下的持续放电.使用生物柴油副产物甘油作为燃料时,该光催化燃料电池的输出功率达0.24 m W/cm~2.在持续光照条件下,电池可长时间运转近50 h,电流稳定在0.75 m A/cm~2以上.甘油在电池中可持续循环放电,根据实际的反应程度可被转化为醛和酸,进一步氧化得到COx.对多种有机燃料的应用表明该光催化燃料电池具有广泛的适用性.     

多金属氧酸盐修饰的过渡金属配合物的催化效果和电化学行为

基于水热技术,合成了多金属氧酸盐修饰的2种新的过渡金属配合物[Cu（dmbipy）²（SiW¹²O⁴⁰）][Cu（dmbipy）（H₂O）₃]·3H₂O（1）和{（Hdmphen）²[Ag₂（dmphen）²（SiW¹²O⁴⁰）]}_n（2）（dmbipy=4,4’-二甲基-2,2’-联吡啶,dmphen=2,9-二甲基-1,10-菲咯啉）。配合物1的最小不对称单元包含2种不同的Cu（Ⅱ）单元,其中Cu（Ⅱ）离子都采用了五配位的模式,并且水分子也参与了配位。氢键将不同的Cu（Ⅱ）单元连接形成了一维链,并延伸至二维层。在配合物2中,多金属氧酸盐连接Ag（Ⅱ）离子形成一维链。氢键和π…π堆积作用将一维链拓展成了二维层。     

多金属氧酸盐催化的水氧化研究进展

氢气以其清洁无污染、燃烧值高等优点成为未来最具潜力的可再生能源之一,而清洁生产氢气的最佳选择之一即为裂解水. 利用太阳能模拟光合作用实现水的全分解产生氢气和氧气是目前最为理想的能源转化方式,并且已经引起了众多研究者的关注. 水分解的半反应之一--水氧化反应由于其过程复杂,一直是制约水分解的瓶颈. 所以寻找高效、稳定的水氧化催化剂便成为了突破该瓶颈的关键. 多金属氧酸盐是一类以前过渡金属氧簇为基本单元形成的多金属氧簇化合物. 由于多金属氧酸盐在物理、化学性质方面具有无法比拟的特性,使得其在催化、药物、纳米科技和材料科学等方面已被广泛地应用. 多金属氧酸盐的全无机配体可很好地抵御水氧化反应的强氧化性环境,故将其作为水氧化催化剂越来越引起研究者们的注意,并且已有多种多金属氧酸盐被设计为水氧化催化剂. 本文详细介绍了各种不同过渡金属取代的多金属氧酸盐水氧化催化剂的研究进展.     

多金属氧酸盐修饰的过渡金属配合物的催化效果和电化学行为

基于水热技术,合成了多金属氧酸盐修饰的2种新的过渡金属配合物[Cu（dmbipy）₂（SiW₁₂O₄₀）][Cu（dmbipy）（H₂O）₃]·3H₂O（1）和{（Hdmphen）₂[Ag₂（dmphen）₂（SiW₁₂O₄₀）]}_n（2）（dmbipy=4,4＇-二甲基-2,2＇-联吡啶, dmphen=2,9-二甲基-1,10-菲咯啉）。配合物1的最小不对称单元包含2种不同的Cu（Ⅱ）单元,其中Cu（Ⅱ）离子都采用了五配位的模式,并且水分子也参与了配位。氢键将不同的Cu（Ⅱ）单元连接形成了一维链,并延伸至二维层。在配合物2中,多金属氧酸盐连接Ag（Ⅱ）离子形成一维链。氢键和π…π堆积作用将一维链拓展成了二维层。     

基于多金属氧酸盐的介孔离子催化剂催化苯一步氧化制苯酚（英文）

苯酚是一种重要的有机化工原料,工业上主要采用合成路线长、原子利用率低、能耗高、环境污染严重的异丙苯法生产.当前,随着绿色化学的普及,H_2O_2催化苯一步氧化制苯酚受到越来越多的关注.在研究的众多催化剂中,钒取代杂多酸被认为是该反应最有效的催化剂之一.然而,纯杂多酸易溶于H_2O_2催化的苯羟基化反应体系,导致污染严重、后处理和分离困难.为了获得可回收的固体杂多酸催化剂,通常将其负载于多孔载体上,但这种方法常伴随着活性组分易溶脱,反应速率慢等缺点.因此,在H_2O_2催化苯一步氧化制苯酚体系中获得高效、可重复使用的杂多酸基固体催化剂仍然是一个挑战.采用有机单元修饰杂多酸是制备杂多酸基固体催化剂的有效方法.研究表明,有机基团的引入可以有效调控杂多酸的溶解性和氧化还原性.另一方面,催化剂中的疏水微环境也能有效促进非极性底物与催化活性中心的相互作用,提高反应速率,改善催化活性.因此,我们通过离子交换法将对二甲苯型双核咪唑离子液体阳离子与含钒杂多阴离子结合,研究制备了一种具有疏水微环境的介孔杂多酸基离子固体催化剂.采用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、N2吸附-脱附和CHN元素分析等表征手段对催化剂进行全面分析.结果表明,该催化剂是一种具有较高比表面积的半无定形疏水有机杂多酸盐.在H_2O_2催化的苯一步氧化制苯酚反应中引导了液-固两相催化体系,在反应时间1 h,反应温度70 oC,苯酚产率可达到28.9%,与均相纯杂多酸的催化活性基本相当,且催化剂重复使用性能良好.催化剂构效关系和反应动力学研究表明,高比表面积和疏水微环境的构建加快了苯与催化活性中心的相互作用,提高了催化反应速率和产物选择性.同时,咪唑基离子液体阳离子通过分子内的电子相互作用改善了杂多阴离子的氧化还原能力,也赋予固体催化剂更高的催化活性.该研究为H_2O_2催化苯一步氧化制苯酚反应提供了一种制备简单,经济高效,可重复使用的杂多酸基固体催化剂.     

多金属氧酸盐簇-聚合物杂化功能材料的研究进展

随着高新科技的快速发展与日益更替,兼有无机材料多功能性和聚合物可加工性的杂化材料具有重要的应用前景。本文论述并回顾了将多金属氧酸盐簇(Polyoxometalates)与聚合物通过共价键连接制备多金属氧酸盐簇-聚合物杂化物(Polyoxometalate-Polymer Hybrids)的研究现状。依据所制备杂化物中聚合物链的构型进行分类,综述了近年来该领域的研究进展,并重点介绍了本课题组在过去几年里的研究成果。     

有机-无机多金属氧酸盐[CTMA]_6SiW_(11)NiO_(39)的合成及其光催化性能研究

多金属氧酸盐(POM)是指由多金属杂原子按一定的结构通过氧原子配位桥联而成的一类化合物的总称,按照阴离子结构可将其分为Keggin、Dawson、Anderson、Waugh等多种类型[1].