层状双金属氢氧化物(LDH)基光催化剂在太阳能燃料生产领域的研究进展

半导体光催化剂吸收太阳光分解水制氢或还原CO2,实现了太阳能燃料生产,不仅可获取清洁、可再生、高热值的太阳能燃料,还能有效减少CO2的排放.层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类基于水镁石结构的二维阴离子黏土矿物材料,具有独特的层状结构、主体层金属阳离子可调性、客体阴离子可交换、多维结构和可分层等优势,在CO2还原、光电催化水产氧及光解水制氢等领域研究广泛,有望成为新型半导体光催化材料.但单纯LDHs载流子迁移率低和电子空穴复合率高,在太阳辐射下的量子效率非常低.因此,研究人员采用缺陷控制、设计多维结构或偶联不同类型半导体构建异质结等方法,获得高能量转换效率的LDH基光催化剂.本文首先总结了传统光催化剂的优缺点及其能带分布,阐述了LDHs的六个主要方面特性,包括主体层板金属阳离子可调性、客体阴离子插层、热分解、记忆效应、多维结构特征及分层,进而提出LDH基光催化材料在增强反应物吸附活化、扩宽吸光范围、抑制光生载流子与空穴复合三个方面的改性策略.然后,分析了LDH光催化剂的光催化水解产氢反应机理,并从材料结构与性能的关联,概述LDH基复合光催化剂(金属硫化物LDH复合材料、金属氧化物LDH复合材料、石墨相氮化碳LDH复合材料)、三元LDH基光催化剂及混合金属氧化物光催化剂在水分解制氢领域的研究进展.最后,分析了LDH光催化还原CO2反应机理,归纳石墨相氮化碳复合LDH材料、MgAl-LDH基复合光催化剂、CuZn-LDH光催化剂及其它半导体系列LDH的结构特点和在还原CO2领域的研究进展.尽管LDH基光催化剂研究取得了一定的进展,但是对LDH的结构调控及其光催化机理仍需进一步探索,光催化活性位点、不同组分之间的协同作用和界面反应机理还有待进一步研究.未来LDH在光催化领域的应用可以微观尺度调控和宏观性能为导向设计,进一步研究不同组分的协同效应、界面反应及材料组成对物理化学性质的影响,不断完善LDH基光催化剂的理论系统和开发其应用潜能.     

自支撑NiFe LDH-MoSx集成电极在工业电解水条件下实现高效电解水

化石燃料的枯竭和不断增长的能源需求给人类带来巨大的挑战,加之能源消耗过程带来的环境问题使得开发清洁可再生绿色能源迫在眉睫.氢能具有零排放、可再生、能量高和来源广等特点,且可通过化石能源和电解水制取,是未来人类最理想的替代能源之一.相较于化石能源制氢,电解水制氢被认为是一种最有前途的清洁制氢技术,能够将可再生能源(例如太阳能和风能)产生的剩余电能以化学能的形式存储起来.电解水反应由发生在阴极的析氢反应与发生在阳极的析氧反应组成.其中,析氧反应涉及多个质子和电子转移,反应动力学缓慢严重限制了其水分解的整体效率.为满足实际应用,亟待开发低成本、高催化活性和在工业电解条件(60～80℃,20％～30％ KOH,400 mA·cm-2)下长期稳定性强等特性的析氧催化剂.本文报道了一种用于析氧反应的自支撑泡沫镍铁自支撑的镍铁层状双金属氢氧化物-二硫化钼(NiFe LDH-MoSx/INF)集成电极,在正常碱性测试条件(25℃,1 M KOH)和模拟工业电解条件(65 ° C,5 M KOH)下均表现出优异的催化性能.优化后的电极在一般碱性测试条件下,过电势仅需195和290 mV即可达到100和400 mA·cm-2的电流密度.在模拟工业电解条件下达到相同的电流密度,过电势只需156和201 mV.在两种条件下进行长期稳定性测试,催化剂均未观察到明显的失活现象.在两电极体系(NiFe LDH-MoSx/INF ‖ 20％Pt/C)全解水测试中,达到100 mA·cm2的电流密度仅需1.72 V的电压.还使用NiFe LDH-MoSx/INF作为阳极催化剂构建膜电极并评价其阴离子交换膜电解水的性能:在400 mA·cm-2的电流密度下能量转换效率(60℃,1 M KOH)为71.8％.综上,原位生长策略保证了此类电极的长期稳定性.硫化基底的存在可以控制NiFe LDH的生长厚度,从而提高集成电极的整体导电性.另外,MoSx的引入进一步调节了NiFe LDH的电子结构,进而优化了反应中间体的吸附能及状态.在模拟工业操作条件下进行的电化学测试进一步证实了多孔三维自支撑NiFe LDH-MoSx/INF集成电极具有在工业电解水中大规模应用的前景.本文为合理设计用于工业阴离子交换膜水电解的非贵金属析氧催化剂提供新的策略.     

层状K-Fe-Zn-Ti催化剂的制备及其对二氧化碳加氢制烯烃反应的催化性能

采用高温固相法制备了系列Zn改性的层状K-Fe-Zn-Ti催化剂,用于CO₂加氢经费托合成直接制烯烃反应。采用SEM、TEM、XRD、H₂-TPR、CO₂-TPD、XPS、N₂吸附-脱附和TG等手段对反应前后的催化剂进行了表征,对K-Fe-Zn-Ti催化剂的组成-结构-性能关系进行了关联研究。结果表明,所制备的催化剂均出现K_2.3Fe_2.3Ti_5.7O₁₆物相,为典型的层状金属氧化物（Layered Metal Oxides,LMO）结构;Zn改性后生成了ZnFe₂O₄物相,降低了催化剂样品结晶度,增强了表面碱性,促进了CO₂表面吸附。在CO₂加氢反应中,K-Fe-Zn-Ti系列催化剂均具有较高的烯烃选择性（O/P>6.5）,Zn改性促进了C₅⁺的生成,显著提高了C₄⁺线性α-烯烃（linear α-olefins,LAOs）的选择性,C₄⁺烃中LAOs含量由Zn改性前的54.6%提高至75.2%。在所考察的范围内,随Zn/Fe比的增加,烯/烷比（C_2-4⁼/C_2-4⁰,O/P）先增加后降低,但对重烃含量以及LAOs选择性影响不明显。K-Fe-Zn-Ti催化剂具有较好的稳定性,经100 h在线反应后,仍保持LMO结构。     

丙烯-乙烯共聚物/乙烯-1-辛烯共聚物层状复合材料的力学性能研究

利用自主设计的一套可进行微层共挤出的口模,分别制备了2层、16层、32层和64层丙烯-乙烯共聚物(PPE)/乙烯-1-辛烯共聚物(POE)交替层状复合材料。研究了制得的层状复合材料的应力-应变行为,利用等效盒子模型(equivalent box model)描述了层状复合材料与相应的常规PPE/POE共混材料力学行为的区别.通过对共挤出材料和共混材料的拉伸数据进行分析后发现,具有层状结构特别是多层结构的共挤出材料具有比共混材料更为优异的屈服和断裂伸长性能.     

Zn-Al类水滑石零净电荷点及等电点研究

用非均相共沉淀法合成了系列Zn-Al类水滑石(HTlc)样品,研究发现A1／(Zn Al)摩尔比(x)在0．31～0．52范围内可得到纯类水滑石相．用电势滴定法和显微电泳法分别测定了5个纯Zn-Al HTic样品的零净电荷点(PZNC)和等电点(IEP),以考察结构电荷对PZNC和IEP的影响．研究发现随结构正电荷密度的增加,PZNC和IEP均降低;IEP高于PZNC,且随结构正电荷密度的降低,IEP与PZNC的差值也降低,表明IEP与PZNC的差异来自结构电荷的影响．结构正电荷对HTlc的IEP与PZNC相对大小的影响与高价阳离子特性吸附的影响一致．初步探讨了结构电荷对PZNC和IEP的影响机理．     

氧化铝柱层状磷酸锡的制备和表征

采用分步交换法制备铝Keggin离子柱层状磷酸锡。产物经500℃焙烧处理,得到层间距为1．35nm的氧化铝柱层状材料(比母体α-SnP的层间距高出0．57nm),而且Al13^7 柱化程度大大优于直接法合成的产物。比较了不同柱化方法的柱化效果,以有机胺水解Alcl3制备的含铝Keggin离子柱化剂的柱化效果明显好于无机碱水解体系.XRD,IR,TG-DTA等分析结果证实有机胺在铝Keggin离子柱化过程中起重要作用。     

层状无机化合物--磷酸锆的研究和应用进展

简要概述层状无机化合物的物理和化学性质,以及层状磷酸锆的结构特点和性质,对近年来层状磷酸锆在光、电、催化、分子识别等领域的研究和应用进行了综述,并展望了层状磷酸锆的研究前景.     

Synthesis and Crystal Structure of a Novel Layered Lead（Ⅱ） Carboxylate-sulfonate Compound Templated by 4,4＇-Bipyridine

A new lead(Ⅱ) carboxylate-sulfonate has been hydrothermally synthesized and characterized by X-ray single-crystal and elemental analyses. It crystallizes in triclinic, space group P, with a = 8.1573(6), b = 9.4663(7), c = 12.7488(9) , α = 89.2320(10), β = 80.7380(10), γ = 77.9760(10)°, Z = 2, V = 950.10(12) 3, Mr = 599.57, Dc = 2.096 g/cm3, μ = 9.032 mm-1, F(000) = 572, the final R = 0.0412 and wR = 0.1035. It has a 1D chain structure, and the Pb(Ⅱ) is six-coordinated. Two PbO6 polyhedra are interconnected via edge-sharing into a two-core unit. Such units are further interconnected by 3-sulfonato-benzoic acids into 1D chains which are linked by hydrogen bonds into a layer structure. The 4,4'-bipyridines are located at the interlayer space and link the layers into a supramolecular structure by π-π stacking interactions.     

层状K-Fe-Ti金属氧化物上光催化分解水制氢

 采用高温固相反应法合成了层状K-Fe-Ti金属氧化物催化剂,用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和紫外-可见漫反射光谱等手段对催化剂进行了表征,并通过光催化分解水制氢反应对催化剂的活性进行了评价. 结果表明,合成原料中K+的含量和固相反应温度都会影响催化剂的晶相结构; 催化剂中八面体配位的Fe3+使其具有显著的可见光吸收特性,但增加合成原料中Fe3+的量仅增加孤立的Fe2O3物种; 在草酸的偶合作用下,正交晶相的催化剂光催化分解水的产氢速率高于四方晶相的催化剂,但后者的产氢速率稳定性高于前者.     

层状材料褶皱对几种地质活动机理研究的启示

从制备层状材料褶皱得到启示,给出了地球地质活动的一些可能的机理性解释.层状晶体的褶皱可以通过在柔性基底上施加的单轴或双轴应力实现,这与地球的层状结构及地球表面的山体褶皱形成机理有许多相似之处.由于地球质量分布不均匀且存在自转,因此各个板块的转动惯量是不一样的,本文指出南北半球之间存在自转角速度差异,对赤道附近的地形地貌及地质活动可能产生重要影响.本文给出了地震、火山以及大陆漂移等地质活动新的机理解释.针对中国特殊的地形地貌,提出了物质流假说并详细论述了物质流的流动趋势,指出中国大陆地质活动和板块交界处的地质活动的机理存在明显差别.物质流假说可以较好地解释中国的地震灾害、矿藏资源分布及中东地区石油丰富的可能成因,为中国未来预测地震灾害及矿藏资源开发提供了新的理论参考.该工作为人类更好地避免自然灾害、理解地球上的自然现象及合理利用自然资源提供了新的启示.