水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

基于催化应用调控氧化铈纳米材料的形貌

催化剂的设计、合成和结构调控是获得优异性能的关键.传统的策略主要是尽量减小催化剂颗粒尺寸以增加活性中心的数目,即尺寸效应.近年来,材料科学的快速发展使得在纳米尺度上调变催化剂的尺寸和形貌成为可能,特别是通过形貌调控可暴露更多的高活性晶面,大幅度提高催化性能,即纳米催化中的形貌效应.因此,调节催化剂的尺寸与形貌可以单独或协同优化材料的性能.氧化铈作为催化剂的重要组分与结构、电子促进剂被广泛应用于多相催化剂体系.本文总结了近期氧化铈材料形貌可控合成的进展,包括主要的合成策略和表征方法; 进而分析了氧化铈和金-氧化铈催化材料的形貌效应,指出金-氧化铈之间独特的相互作用与载体形貌密切相关; 阐述了氧化铈纳米材料因暴露晶面的差异而获得不同催化性能的化学机制.     

LDHs/碳复合纳米材料的催化性能研究进展

层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类典型的结构可调的阴离子层状功能材料,直接或经焙烧、还原处理后可作为高活性、高稳定性、廉价的催化剂或催化剂载体应用到催化领域.碳纳米材料自身良好的力学、电学、化学性质使其可作为理想的功能组元构筑LDHs/碳复合纳米材料,进而增强催化性能.本文综述了由LDHs与碳材料构筑的复合纳米催化材料的设计、可控制备及其在电催化、光催化、催化加氢及氧化等多相催化领域的应用进展,并从材料的可控制备及应用方面讨论了LDHs/碳复合纳米材料在多相催化领域面临的挑战与发展前景.     

双金属纳米材料催化的有机反应进展

纳米催化介于均相催化与多相催化之间, 也称为”半多相催化”, 目前正受到人们越来越多的关注. 最近几年, 应用双金属纳米材料进行催化研究取得了很大进展, 使用这些催化材料可以增加反应活性和选择性, 而且能很好地得以回收. 本文综述了双金属纳米材料催化的各种有机反应, 如选择性氧化/氢化、偶联和其它反应(脱卤、酰胺化、还原氨化、芳基硼酸与烯酮的1,4-不对称加成和氢解). 将双金属纳米材料用于催化合成更加复杂的有机分子值得期待. 在双金属纳米有机催化领域, 基础理论和实际应用尚有较大的发展空间. 未来该领域的发展需要开展多学科的合作, 包括合理设计和可控制备相关的双金属纳米材料、深入理解催化机理及发展计算催化.     

磷酸钙纳米结构材料的微波辅助液相合成

微波加热作为一种新兴热源具有加热速率快、制备时间短、节能等优点,已经被广泛应用于合成包括磷酸钙在内的多种无机纳米材料.磷酸钙作为典型的生物材料,其制备新方法的探索、结构/尺寸/形貌调控、性能研究和应用探索是生物材料领域的一个重要研究方向.本文阐述了微波辅助合成法用于制备纳米材料的优势,并综述了微波辅助液相快速合成磷酸钙纳米结构材料的进展.采用微波液相合成技术,可以制备出包括颗粒、一维、二维和三维结构在内的多种磷酸钙纳米结构材料,同时还可以通过功能性组分的掺杂/复合对磷酸钙纳米材料进行功能化.预期未来微波液相合成法在包括磷酸钙在内的多种无机纳米材料的合成领域将得到快速发展和广泛应用;另外,微波液相合成的磷酸钙纳米结构材料在药物递送和控释、蛋白吸附、金属离子吸附、生物成像及骨缺损修复等众多领域具有良好的应用前景.     

电荷驱动水中氧化物纳米颗粒自组装的原位透射电子显微镜研究

<正>由于氧化物纳米材料具有较大的比表面积和表面活性,因此被广泛地应用于催化、能源储存、纳米器件等各种领域。人们通过各种不同的合成技术手段,实现对氧化物纳米材料表面形貌进行调控,进而获得具有优异性能的纳米材料。在各种纳米材料合成手段中,可控性自组装技术是一种有效调控纳米材料尺寸及形貌特征的方法,在纳米材料的合成以及制备方面具有较大的应用潜力1。纳米颗粒的自组装过程及其自组装的结构形态特征,常常受到纳米颗粒之间的范德华力、氢键、静电力、疏水性、偶极矩等相互作用的影响2–5。     

手性模板合成CdS纳米棒

由于纳米材料具有量子尺寸效应及大的比表面积等性质而使其在电子学[1]、光学[2]、催化[3]和陶瓷[4]等领域显示出诱人的应用前景. 近年来纳米材料的制备及纳米技术发展迅速, 特别是具有特殊光电活性的新型无机纳米材料的制备已引起人们的普遍关注. 现在合成纳米材料的方法主要包括反相胶束法[5]、 LB膜法[6]、嵌段共聚物法[7]和模板合成法[8]. 其中模板合成技术不仅可以通过设计新型的模板分子, 还可通过模板分子的不同自组装行为来调控纳米材料的尺寸和形貌. Stupp等[9]曾利用溶致液晶的六方中间相作为模板, 在其纳米孔隙中成功地合成了具有六方排列超晶格纳米结构的材料. 本文以双亲性丙氨酸衍生物为模板, 在不同的化学微环境下合成了结构不同的CdS纳米棒.     

多功能核壳结构纳米反应器的构筑及其催化性能

随着纳米科学技术的不断发展,通过调节纳米材料的组成、结构、形貌以及尺寸等,已经能够实现对纳米材料性能调控的目的。为了进一步赋予纳米材料以新的功能,拓展其在材料、化学、生物和医学等领域的应用,开发能够同时实现多种功能的新型纳米材料是非常有意义的。多功能纳米材料的获得方法之一是通过对简单纳米粒子表面包覆具有功能性的材料来实现,形成的复合结构称为核壳结构。核壳结构的核和壳可以由相同或不同的材料组成。通过改变内核和外壳材料的组成、结构以及表面性质等,从而可以赋予核壳结构纳米材料以特殊的光、电、磁、催化、吸附以及生物活性等。在核壳结构的基础上对核与壳进行可控化与功能化的改造,可形成空心结构以及蛋黄壳结构(或称拨浪鼓结构),其中的空腔可作为高效纳米反应器应用于催化的各个分支领域。本综述首先讨论了不同核壳结构纳米反应器的设计,然后重点介绍了这些纳米反应器在催化降解染料污染物、催化加氢反应、催化氧化反应以及催化级联反应这几类反应中的应用。最后,对多功能核壳纳米反应器未来的研究和发展提出了一些展望。     

Pt/Ni双金属纳米溶胶的制备及催化制氢性能

采用化学共还原法制备了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的Pt/Ni双金属纳米溶胶.采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、透射电子显微镜(TEM)对所合成的Pt/Ni双金属纳米溶胶进行了表征, 并系统研究了PVP用量、还原剂用量和浓度、双金属比例对该双金属纳米溶胶催化剂催化性能的影响.结果表明, 所制备的双金属纳米溶胶的平均粒径在2.0 nm左右, Pt/Ni双金属纳米溶胶的催化活性比Pt及Ni单金属纳米溶胶的高, 当Pt/Ni摩尔比为1:4时, 纳米溶胶的催化活性最高, 其活性值为16640 mol_H2·mol_Pt^-1·h^-1.所制备的Pt/Ni双金属纳米溶胶催化剂具有很好的耐久性, 5次催化实验后该催化剂仍保持较高的催化活性.该双金属纳米溶胶催化NaBH₄水解反应的活化能为48 kJ/mol.     

在无定形二氧化钛上生长纳米钛硅分子筛催化剂

尺寸在1～100nm之间的材料称为纳米材料.纳米材料中表面分子占很大比例,由此产生了不同于常规材料的各种特殊性能.纳米材料在很多领域得到广泛的研究和应用.很多研究者发现纳米结构的催化剂有着与常规催化剂不同的催化活性和选择性.沸石分子筛催化剂是一种结晶的多孔物质,其孔径一般小于1 nm.     

Dense ceramic catalytic membranes and membrane reactors for energy and environmental applications

Catalytic membrane reactors which carry out separation and reaction in a single unit are expected to be a promising approach to achieve green and sustainable chemistry with less energy consumption and lower pollution. This article presents a review of the recent progress of dense ceramic catalytic membranes and membrane reactors, and their potential applications in energy and environmental areas. A basic knowledge of catalytic membranes and membrane reactors is first introduced briefly, followed by a short discussion on the membrane materials including their structures, composition and strategies for material development. The configuration of catalytic membranes, the design of membrane reaction processes and the high temperature sealing are also discussed. The performance of catalytic membrane reactors for energy and environmental applications are summarized and typical catalytic membrane reaction processes are presented and discussed. Finally, current challenges and difficulties related to the industrialization of dense ceramic membrane reactors are addressed and possible future research is also outlined.     

非晶纳米材料用于电解水的研究进展

电催化水分解产氢作为一种有前途的制氢技术被全世界研究者广泛关注.然而,此领域仍然缺少一种高效、无污染的催化剂,以降低能耗,提升反应动力学,进而推进电解水的实际应用.近年来研究发现,具有短程有序、长程无序特征的非晶纳米材料在电解水领域表现出极其优异的性能.有趣的是,固有的无序结构赋予了非晶纳米材料丰富的高活性位点.鉴于此,本文综述了非晶纳米材料的制备策略以及表征方法,并且对其高活性来源进行了系统地分析.此外,本文通过分析近几十年的研究成果指出了非晶纳米材料在电解水领域面临的挑战和应用前景.非晶纳米材料的合成方法主要分为两类:直接合成和间接合成.直接合成主要包括:电沉积、光化学金属-有机沉积、气溶胶-喷雾辅助法、反胶束溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法和氧化还原法.其中,气溶胶-喷雾辅助技术可以通过控制母液中金属离子的浓度精准地控制非晶纳米材料中各种金属元素的组成,从而有目的地调控并优化催化活性.间接合成主要分为原位转化和非原位转化.原位转化是指晶体材料在反应过程中表面会原位转化为非晶结构作为反应的真实活性物质.非原位转化是指当纳米材料尺度非常小时,高表面能将会破坏材料的结晶度得到非晶材料.另外,非晶材料长程无序的特点给其表征带来极大挑战.目前,对于非晶材料表征的一般流程是:首先通过X射线粉末衍射确定非晶结构,并通过透射电子显微镜以及扫描电子显微镜探索其形貌结构;再通过选区电子衍射以及高角度环形暗场扫描透射电子显微镜进一步确定非晶结构;然后,通过能谱、电感耦合等离子体发射光谱和X射线光电子能谱分析其化学组成及化学态;最后,采用拉曼光谱和同步辐射数据提供晶体结构信息.本文对非晶纳米材料高活性的起源进行了探究.在电解水领域,非晶纳米材料通常表现出优于晶体材料的性能.优异的活性与活性位点数量的增多以及活性位点活性的提升有关:(1)非晶纳米材料具有长程无序的特征,可以暴露更多活性位点,并且其表面存在的大量悬挂键也可以作为活性位点;(2)非晶纳米材料的活性位点可以拓展至催化剂体相内部,大幅提升了活性位点数量;(3)非晶纳米材料结构灵活性高,活性位点在催化反应过程中可以转变成任意形状,提升了活性位点的活性;(4)非晶纳米材料的高韧性和应变能力赋予其较高的稳定性.非晶纳米材料已广泛应用于电解水领域,但仍然存在一些问题:(1)非晶纳米材料由于原子级结构不确定,其电催化机理很难探究;(2)理论模拟作为研究电化学反应途径的有力工具很难应用于非晶纳米材料的研究;(3)随着无序程度的增加,活性位点数量和活性逐渐增加,但电导率逐渐下降.尽管如此,由于非晶纳米材料结构灵活性高和自重组能力快速,人们对其在电解水领域的研究兴趣越来越大,并且该领域显示出良好的应用前景,高效非晶纳米材料的设计合成及其催化机理的研究将成为今后研究的重点.     

纳米碳材料非金属催化的研究进展

纳米碳材料直接作为催化剂的非金属碳催化是目前材料科学与催化领域的前沿方向之一.相对于传统金属催化剂,纳米碳材料催化剂具有高效环保、低能耗、耐腐蚀等优点.在烃类转化、化学品合成、能源催化等领域表现出优异的催化性能和发展潜力.综述了近年来纳米碳非金属催化研究的最新进展,主要包括新型纳米碳材料的表面性质、催化特性、反应机理和宏观制备等关键问题,并对纳米碳催化存在的挑战和前景进行了展望.     

Chirality at nanoscale for bioscience

In the rapidly expanding fields of nanoscience and nanotechnology, there is considerable interest in chiral nanomaterials, which are endowed with unusually strong circular dichroism. In this review, we summarize the principles of organization underlying chiral nanomaterials and generalize the recent advances in the main strategies used to fabricate these nanoparticles for bioscience applications. The creation of chirality from nanoscale building blocks has been investigated both experimentally and theoretically, and the tunability of chirality using external fields, such as light and magnetic fields, has allowed the optical activity of these materials to be controlled and their properties understood. Therefore, the specific recognition and potential applications of chiral materials in bioscience are discussed. The effects of the chirality of nanostructures on biological systems have been exploited to sense and cut molecules, for therapeutic applications, and so on. In the final part of this review, we examine the future perspectives for chiral nanomaterials in bioscience and the challenges posed by them.

In this review, we summarize the principles of fabrication on chiral nanomaterials and generalize the recent achievements for the bioscience applications.     

新型生物燃料5-乙氧基甲基糠醛的合成进展

5-乙氧基甲基糠醛(EMF)被认为是可替代化石能源的非常有前途的新型液态生物燃料,近年来由生物质资源制备EMF引起了国内外越来越广泛的关注。目前开发的合成EMF途径主要以糖类化合物(如果糖、葡萄糖、蔗糖、菊糖等)为原料,在乙醇溶剂中通过酸催化反应获得。本文针对EMF合成的化学反应过程及最新研究进展进行了综述,着重从反应起始原料、催化合成技术、催化行为与特点、过程经济可行性等方面对其进行评述和对比,并分析了目前工业规模转化生物质资源合成EMF仍面临的科学难点,对今后该领域的研究前景进行了展望,指出未来研究应朝着反应高效化、环境友好化及资源可持续利用方向深入开展。     

Microwave Synthetic Routes for Shape-Controlled Catalyst Nanoparticles and Nanocomposites

The use of microwave irradiation for the synthesis of inorganic nanomaterials has recently become a widespread area of research that continues to expand in scope and specialization. The growing demand for nanoscale materials with composition and morphology tailored to specific applications requires the development of facile, repeatable, and scalable synthetic routes that offer a high degree of control over the reaction environment. Microwave irradiation provides unique advantages for developing such routes through its direct interaction with active reaction species, which promotes homogeneous heat distribution, increased reaction rates, greater product quality and yield, and use of mild reaction conditions. Many catalytic nanomaterials such as noble metal nanoparticles and intricate nanocomposites have very limited synthetic routes due to their extreme temperature sensitivity and difficulty achieving homogeneous growth. This work presents recent advances in the use of MW irradiation methods to produce high-quality nanoscale composites with controlled size, morphology, and architecture.     

Recent Progress on Bismuth-based Nanomaterials for Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction

Due to the burning of fossil fuels, the level of carbon dioxide(CO₂) in the atmosphere gradually rises, leading to serious greenhouse effect and environmental problems. Electrocatalytic reduction of CO₂ is currently an efficient way to convert CO₂ to value-added products. Bismuth(Bi)-based nanomaterials have raised great interests due to their excellent activity and high selectivity to electrocatalytic CO₂ reduction. In this review, the fundamental principles of electrochemical CO₂ reduction reaction(CO₂RR) are introduced at first. Moreover, the recent development of Bi-based electrocatalytic materials including Bi with various nanostructures(nanoparticle, nanosheet, etc.), Bi-based compounds(Bi oxide, bimetal chalcogenide, etc.), and Bi/C nanocomposites are summarized. In the end, the future prospects and challenges of electrocatalysts for CO₂ reduction are discussed.     

Recent Progress on Nickel-Based Oxide/(Oxy)Hydroxide Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction

Developing clean and sustainable energies as alternatives to fossil fuels is in strong demand within modern society. The oxygen evolution reaction (OER) is the efficiency-limiting process in plenty of key renewable energy systems, such as electrochemical water splitting and rechargeable metal–air batteries. In this regard, ongoing efforts have been devoted to seeking high-performance electrocatalysts for enhanced energy conversion efficiency. Apart from traditional precious-metal-based catalysts, nickel-based compounds are the most promising earth-abundant OER catalysts, attracting ever-increasing interest due to high activity and stability. In this review, the recent progress on nickel-based oxide and (oxy)hydroxide composites for water oxidation catalysis in terms of materials design/synthesis and electrochemical performance is summarized. Some underlying mechanisms to profoundly understand the catalytic active sites are also highlighted. In addition, the future research trends and perspectives on the development of Ni-based OER electrocatalysts are discussed.     

A review on recent advances in hierarchically porous metal and metal oxide nanostructures as electrode materials for supercapacitors and non-enzymatic glucose sensors

The remarkable significance of electrode materials in industrial processes, energy, sustainability and diabetes monitoring has captivated scientists to develop advance nanomaterials for the benefit of life across the globe. Here in, the recent developments in nanostructured porous metal and metal oxide composite materials for supercapacitor applications and non-enzymatic glucose sensors (NEGS) has been extensively discussed. The essential and active electrode materials from the research and application perspective has been emphasized in detail. We have also evaluated the worthiness, taxonomical classification, efficiency, specific capacitance and sensitivity of these materials for the aforementioned potential applications. Eventually, we concluded the review by providing the aspect ratio, surface morphology, particle size and specific surface area of these materials that plays an indispensable role for their promising potential applications.