Enhanced Dual Fuel Cell Electrocatalysis with Trimetallic PtPdCo Mesoporous Nanoparticles

The facile preparation of platinum‐based catalysts with designed compositions and structures is of great importance for fuel cells. In this work, a one‐pot method is developed to synthesize monodispersed trimetallic PtPdCo mesoporous nanoparticles (PtPdCo MNs) with uniform morphology and size. The proposed synthetic method does not require any hard template or organic solvent, which greatly simplifies the preparation procedure. PtPdCo MNs, with a highly porous structure, exhibit enhanced electrocatalytic activities and excellent stabilities for both the formic acid oxidation reaction and the oxygen reduction reaction, relative to bimetallic PtPd MNs and commercial Pt/C catalyst. The proposed synthetic method is highly valuable for the design of mesoporous multimetallic catalysts for fuel cells.     

Chemical Design of Nuclear‐Targeting Mesoporous Silica Nanoparticles for Intra‐nuclear Drug Delivery

Targeted drug delivery has been widely explored for efficient tumor therapy with desired efficacy but minimized side effects. It is widely known that large numbers of DNA‐toxins, such as doxorubicin, genes, reactive oxygen species, serving as therapeutic agents, can result in maximized therapeutic effects via the interaction directly with DNA helix. So after cellular uptake, these agents should be further delivered into cell nuclei to play their essential roles in damaging the DNA helix in cancer cells. Here, we demonstrate the first paradigm established in our laboratory in developing nuclear‐targeted drug delivery systems (DDSs) based on MSNs for enhanced therapeutic efficiency in the hope of speeding their translation into the clinics. Firstly, nuclear‐targeting DDSs based on MSNs, capable of intranuclear accumulation and drug release therein, were designed and constructed for the first time, resulting in much enhanced anticancer effects both in vitro and in vivo. Such an MSNs‐based and nuclear‐targeted drug/agent delivery strategy was further applied to overcome multidrug resistance (MDR) of malignant tumors, intra‐nuclearly deliver therapeutic genes, photosensitizers, radio‐enhancement agents and photothermal agents to realize efficient gene therapy, photodynamic therapy, radiation therapy and photothermal therapy, respectively.     

富氮洋葱碳包覆的Ni/NiFe2O4纳米棒析氧电催化剂

将镍铁金属配位聚合物前驱体在惰性气氛下热分解制备了富氮洋葱碳(ONC)包覆的Ni/Ni Fe_2O_4多孔纳米棒复合析氧电催化剂,与Ni@ONC,Ni Fe_2O_4材料及传统Ru O_2催化剂相比,得益于这种富氮洋葱碳包覆的Ni/Ni Fe_2O_4一维多孔纳米异质结构,Ni/Ni Fe_2O_4@ONC材料拥有更优异的导电性能和更大的电化学活性面积(0.149 m F),因而表现出更优异的析氧电催化性能。Ni/Ni Fe_2O_4@ONC纳米棒在1 mol·L~(-1) KOH溶液中,10 m A·cm-2下的析氧过电位仅为299 m V,塔菲尔斜率为73 m V·dec-1,展现出优异的析氧稳定性能。     

α-氧化铁介孔纳米材料的制备及其在锂/钠离子电池中的电化学性能

采用硬模板法合成了具有六方排列的平行圆柱形有序孔道介孔α-氧化铁(α-Fe_2O_3),并将其用作锂离子、钠离子电池的负极材料。所制备的介孔α-Fe_2O_3凭借其独特的有序介孔结构,有效缓解电极在充放电过程中的体积效应,提高了电解液浸润性,促进锂/钠离子的转移和传输,从而在锂离子及钠离子电池中均表现出优异的电化学性能。作为锂离子电池负极时,其首圈放电比容量为983.9 mAh·g~(-1)。经过100次循环后,其放电比容量为1 188.0 mAh·g~(-1)。在钠离子电池中,其首圈放电比容量为687.7mAh·g~(-1)。经过50次循环后,仍有316.9 mAh·g~(-1)的放电比容量。     

The influence of mesoporous silica modified with phosphorus and nitrogen‐containing hyperbranched molecules on thermal stability,combustion behavior,and toxic volatiles of epoxy resin

A hybrid material (HPPA‐SH‐mSiO₂) containing multiple flame‐retardant elements was synthesized and characterized using NMR, FTIR, and XPS techniques. This hybrid was synthesized by the “thiol–ene” click reaction of thiol‐functionalized mesoporous silica (SH‐mSiO₂) with ene‐terminated hyperbranched polyphosphate acrylate (HPPA).When 2 wt% HPPA‐SH‐mSiO₂ hybrid was added to an epoxy matrix, thermogravimetric analysis (TGA) showed that the incorporation of HPPA‐SH‐mSiO₂ increased the thermal stability of epoxy resin composites. Moreover, the combustion behavior of epoxy composites was investigated using a cone calorimeter, and the results show that the PHRR and THR of EP/HPPA‐SH‐mSiO₂ composites clearly decreased by 28.7% and 16%, respectively. Volatile toxic compounds such as aromatic compounds, CO, carbonyl compounds, and hydrocarbons were identified using TGA‐infrared spectroscopy coupling technique. The effect of HPPA‐SH‐mSiO₂ hybrids on the removal of toxic volatiles was also investigated. Functionalized mesoporous silica and polymer composites have potential applications.     

还原氧化石墨烯/介孔TiO2复合材料的合成及其光解水制氢性能

采用溶胶凝胶法,以钛酸四异丙酯(TTIP)为钛源,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂合成了介孔二氧化钛样品mTiO_2,考察了合成温度、水量、模板剂用量和焙烧温度对其在紫外光条件下光催化产氢活性的影响。结果显示,在350℃下焙烧后,样品由无定形结构转变为锐钛矿相;随着焙烧温度的提高,锐钛矿相结构产物的结晶度提高,当焙烧温度超过550℃后,样品大部分转变为金红石相。以合成温度为30℃,模板剂用量(nCTAB/nTiO_2)为0.2,水量(nH2O/nTiO_2)为100,焙烧温度为450℃条件下合成的m-TiO_2样品为催化剂,当催化剂用量为0.4 g·L-1,体系中甲醇浓度高于20%(V/V)时,其紫外光条件下的光催化产氢活性达170 mmol·g-1·h-1。采用水热法将氧化石墨烯(GO)与m-TiO_2复合制备了一系列还原氧化石墨烯/介孔TiO_2复合材料(rGO/m-TiO_2),其晶相结构为锐钛矿相。当r GO复合量(wGO/wTiO_2)为0.01时,样品在紫外光下的产氢活性为241 mmol·g-1·h-1,能量转化效率达7.4%,较未复合样品提高了42.3%;在可见光条件下,其产氢活性达9 mmol·g-1·h-1。     

原位红外光谱法研究中孔炭限域钌纳米催化剂的形成机理（英文）

炭载金属纳米催化剂广泛应用于精细化学品加氢反应及燃料电池等许多领域.炭载体因具有较高的表面积、易于调控的表面化学官能团以及特有的耐酸耐碱等性质而经常用作负载型金属催化剂的载体.但是相对于氧化物载体,炭载体表面较为惰性,与金属纳米粒子的相互作用较弱,采用后引入金属前体,如沉淀-沉积法和浸渍法等方法制备的催化剂,在液相和高温反应条件下,金属纳米粒子易流失和烧结.因此制备高稳定性的炭负载金属纳米催化剂仍是多相催化剂制备领域的一个重要课题.随着新型炭材料的出现及纳米孔材料制备科学的发展,极大丰富和推动了炭载金属催化剂制备方法的发展.近年来,通过炭热还原法即在制备中孔炭的过程中引入金属前体,一步制备炭载金属催化剂已经成为炭载金属催化剂的一个新的制备方法.此法制备的催化剂通常具有金属纳米粒子分散均匀、炭和金属活性中心之间的作用力强、热稳定性好、炭载体对负载金属纳米粒子具有限域作用等诸多优点,而且在诸多催化反应中具有优异的催化性能.例如本课题组曾以RuCl_3/SBA-15为硬模板,采用原位碳热还原法制备了Ru-OMC催化剂,它在液相苯环加氢、合成氨及费托合成反应中均具有优异的催化性能及稳定性,但是对于中孔炭中均匀分散的钌纳米颗粒形成的机理尚不清楚.基于此,本文采用原位的红外光谱结合热重表征技术对sucrose-RuCl_3/SBA-15炭化过程钌物种的形成过程及机理进行了研究,探讨了蔗糖在炭化过程中对高分散钌纳米颗粒形成过程的稳定机制.研究发现,尽管经历了高达850 oC的高温炭热处理,所得Ru-OMC催化剂中钌纳米粒子仍然可以均匀分散,钌粒径在1-2 nm之间.同时,由于这种方法中钌前体预先负载在SBA-15载体表面,在炭化过程中,钌纳米粒子可以均匀地分散在模板氧化硅和形成的炭骨架之间的界面上,去除氧化硅模板后,钌纳米粒子可以更多的暴露在中孔炭的孔道内侧,因而具备更好的催化剂性能.通过对sucrose-RuCl_3/SBA-15炭化过程中原位红外光谱表征发现,Ru~(3+)在炭化过程中逐步被还原,并和具有含氧官能团的炭前体形成类金属羰基配合物Ru(CO)x.这种配合物的生成可以有效抑制钌纳米粒子在热处理过程的迁移乃至长大,因而对得到均匀分散的钌纳米粒子具有至关重要的作用.同时Ru(CO)_x周围刚性的氧化硅模板和碳骨架可以有效地防止钌纳米粒子在高温处理过程中烧结和团聚.对sucrose-RuCl_3/SBA-15炭化中间体的X射线光电子能谱表征进一步证明了Ru~(3+)在350 oC之前即可被还原,钌的3p轨道结合能发生了位移,说明钌和炭载体之间具有较强的相互作用.该结果可为炭载贵金属催化剂的调控制备及高活性纳米催化剂的形成机理研究提供一定的参考.     

三维有序大孔二氧化钛表面超细钯纳米颗粒的构筑及其增强柴油炭烟催化燃烧性能（英文）

柴油机排放颗粒物(主要成分是炭烟)是城市大气PM2.5中一次颗粒物的主要来源和二次颗粒物形成的重要组分,严重危害大气环境和人类健康.利用颗粒物捕集器与催化剂相结合的连续过滤再生技术是满足柴油车国VI炭烟颗粒物排放标准的最有效技术,目前该技术所面临的挑战是研发在排气温度的柴油炭烟颗粒物催化氧化催化剂.柴油炭烟催化燃烧反应的本质是典型的气(氧气)-固(炭烟颗粒)-固(催化剂)三相深度氧化反应,因此我们研究组提出了高活性柴油炭烟燃烧催化剂设计应该遵循优化固-固接触与强化活化分子氧能力二者相结合的研究思路.为满足此设计思路的要求,本课题组前期采用孔径大于200 nm的三维有序大孔(3DOM)结构氧化物作为载体,利用大孔效应来实现PM在催化剂内部的有效扩散,从而提高催化剂与PM的接触效率.采用具有强活化分子氧能力的负载型贵金属(Au,Pt)纳米颗粒或贵金属-氧化物复合纳米颗粒作为活性位来提高催化剂对分子氧的活化能力,进而设计了多个系列高活性催化剂,并形成了担载贵金属纳米颗粒的可控制备方法与装置.然而,Au和Pt昂贵的价格限制了其广泛应用.价格相对便宜的Pd具有与Pt相似的催化性能,是其良好替代品.但是,目前关于3DOM氧化物表面负载型Pd纳米颗粒结构和尺寸与柴油炭烟催化燃烧性能之间的相关研究仍然较少.基于此,本文采用气泡辅助膜还原法制备了3DOM二氧化钛(TiO_2)担载超细Pd纳米颗粒催化剂.利用XRD,Raman,BET,SEM,TEM,ICP,XPS和H2-TPR等技术手段对催化剂进行表征,并以模拟柴油炭烟为研究对象,利用程序升温氧化反应(TPO)对催化剂的活性进行评价,深入探讨了催化剂的制备、结构及物化性质与炭烟催化燃烧反应性能之间的关系.XRD和Raman结果表明,TiO_2载体由锐钛矿(主)和金红石(次)两种物相组成.SEM照片显示,所制催化剂为规整的有序大孔结构,球形孔互相贯通,孔径均一,大孔腔平均尺寸为280 nm,孔窗尺寸为109 nm,这种三维有序大孔TiO_2的结构能够增强炭烟颗粒与催化剂之间的接触效率.TEM表征显示,平均粒径为1.1 nm的超细半球型Pd纳米颗粒高度分散于TiO_2载体的内壁上,两者间的优化界面面积有利于增加活化O2的活性位密度,这些活性位源于Pd与TiO_2间强相互作用.H2-TPR和XPS表征印证了上述观点,具有1.1 nm超细Pd颗粒的Pd/3DOM-TiO_2催化剂表现出强的低温氧化还原特性和丰富的表面吸附氧物种.在TPO测试中,相对于担载5.0 nm Pd颗粒的催化剂,具有1.1 nm尺寸超细Pd颗粒的Pd/3DOM-TiO_2催化剂展示了高的催化炭烟燃烧活性,T10,T50和T90分别为295,370和415 oC,且在5次TPO测试过程中表现出良好的催化和结构稳定性.这种具有3DOM结构和超细Pd纳米颗粒的纳米催化剂能够有效降低Pd的使用量,在催化炭烟燃烧的实际应用中大有潜力.     

小麦粉衍生中孔氮掺杂颗粒炭负载金催化剂用于乙炔氢氯化反应（英文）

聚氯乙烯是五大工程塑料之一,在国民经济中占有重要的地位.基于中国富煤少油缺气的能源格局,我国主要采用基于煤化工的电石法氯乙烯生产工艺,但该工艺必须采用氯化汞催化剂,受到国际限汞公约的影响,无汞催化剂的开发迫在眉睫.其中炭负载金催化剂在该反应中活性最高,近几年来取得了较大进展,有望实现产业化.氮掺杂的炭材料在诸多反应中展现了较好的性能,其负载金属催化剂可以有效提高金属的分散度及稳定性,成为近几年多相催化领域的一个研究热点.最近我们课题组报道了一种氮掺杂中孔成型的制备方法:以小麦粉为原料,通过直接炭化法制备了氮掺杂中孔成型炭,这种氮掺杂中孔成型炭作为无汞催化剂在乙炔氢氯化反应中显示出了优异的催化性能.小麦粉衍生的氮掺杂中孔成型炭具有成型容易.原料价廉易得、易于放大生产等优点,是优选的工业化催化剂的载体.本文以这种氮掺杂的成型炭为载体制备了负载型金催化剂,研究其催化乙炔氢氯化性能.结果表明,氮的掺杂使得中孔炭负载金(Au/N-MC)催化剂上乙炔氢氯化活性明显提高.在氯化氢/乙炔比例1.1、反应温度180℃、乙炔空速600 h~(-1)的条件下,Au/N-MC上的乙炔转化率为50%,是Au/MC催化剂活性的2倍.通过对催化剂的表征发现,氮的掺杂能有效地锚定Au/N-MC催化剂中活性组分Au~(3+),抑制催化剂制备过程中Au~(3+)还原为Au~0,从而提高催化剂活性和稳定性.小麦粉衍生的氮掺杂中孔炭的原料廉价易得,生产工艺简单,易成型,也容易实现工业化生产,是负载型金属催化剂的优良载体,其负载的无汞催化剂性能优越,有望取代电石法氯乙烯产业的汞催化剂,成为新一代无汞催化剂.     

不同结构扩孔分子筛催化MTP反应行为及表面积炭物种表征

采用TEAOH溶液处理MFI结构ZSM-5分子筛、MWW结构MCM-22分子筛,NaOH溶液处理TON结构ZSM-22分子筛、CHA结构SSZ-13分子筛得到四种结构的扩孔分子筛。在反应温度480℃、反应压力0.1 MPa、甲醇与水质量比1∶1、甲醇质量空速1.5 h~(-1)的条件下,考察了四种扩孔分子筛的甲醇制丙烯(MTP)催化性能,并采用XRD、N_2吸附-脱附、NH_3-TPD、TG、UV-Raman和GC-M S等方法表征催化剂的物化性质及M TP反应2 h后的分子筛积炭性质。结果表明,四种分子筛扩孔改性后均出现介孔,其中,T-ZSM-5分子筛在MTP反应中寿命最长;T-MCM-22分子筛寿命次之且失活速率慢;而一维孔道结构N-ZSM-22分子筛和八元环尺寸较小的N-SSZ-13分子筛均失活迅速。受拓扑结构和孔道扩散的影响,MTP反应2 h后,分子筛积炭量增加的顺序为T-ZSM-5N-ZSM-22T-MCM-22N-SSZ-13且可溶焦分子质量随积炭量增加而增重,即从五甲基苯增重到菲、芘等多环芳烃。