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...     

碳点衍生的碳纳米花负载钴单原子和纳米颗粒用于高效的氧还原反应（英文）

锌空气电池(ZABs)具有高能量密度(1086 m Wh gZn^–1)、价低、易回收等优势,引起了学者们的广泛关注.空气电极发生的氧还原反应(ORR)/氧析出反应(OER)是控制整个ZABs效率的关键.因此,设计和开发高效的ORR电催化剂对于ZABs商业化至关重要.目前, Pt基电催化剂仍是最有效的ORR电催化剂,但Pt资源稀缺,价格高昂,Pt基电催化剂稳定性差等缺点阻碍了其商业化.因此,研究高活性和高稳定性的ORR非贵金属电催化剂十分重要.碳点(CDs)作为一种新型的零维高分子碳材料,具有低毒、高导电性等优势,被广泛用于碳基材料的前驱体.CDs具有sp²杂化晶核、丰富的边缘位点和大量的官能团(如-NH₂,-COOH和-OH),这些表面官能团为过渡金属原子提供了很强的锚定位点,可用于构筑各种碳负载过渡金属催化剂.本文设计合成了一种新型的碳基ORR电催化剂,其由CDs衍生的三维碳纳米花(CNF)负载Co单原子(SAs)和纳米颗粒(NPs)构成.利用CDs在二次水热过程中形成了3.66 nm的超薄纳米膜并构筑成3D的多孔CN...     

水相一步法合成具有双光子效应的高效橙红荧光聚合物碳点

聚合物碳纳米点是近年来新兴的一种荧光纳米探针,具有较低的生物毒性、良好的水溶性、较高的量子产率、优异的光/化学稳定性以及良好的生物相容性.目前所制备的碳点大都表现出蓝、绿色荧光发射.为实现碳点长波荧光发射,扩大其在生物标记与成像及光电显示方面的应用,本文采用水相一步法交联聚合反应制备了具有橙红荧光发射性质且具有双光子效应的聚合物碳点,发射波长为604 nm,荧光量子产率达到30.64%,并且应用在生物活体成像中.     

碳化聚合物点：一种新型的单颗粒有机无机杂化体系

碳化聚合物点(CPDs)指通过自下而上法,经聚合、交联、碳化而形成的一种具有特殊的碳核和聚合物壳杂化结构.这种特殊的杂化结构赋予了CPDs独特的光学、电学等物理化学性质,作为一种新兴的零维碳纳米材料受到了广泛的研究关注.本文通过系统地总结与分析,强调了CPDs聚合-碳化的本质,把CPDs看作是一种新型的单颗粒有机无机杂化体系,并从CPDs的结构特点、制备、光电性质及其在光学和催化领域的应用4个角度总结了CPDs的研究进展.重点介绍了郑州大学碳点研究中心在CPDs的可控制备、发光机理、光学和催化领域的应用相关的研究工作,论述了CPDs未来发展所面临的问题与方向.     

商用氧化铟锡玻璃:室温高效还原氮气的催化剂电极

NH₃作为一种必需的活化氮源,在化肥、染料、爆炸物和药物等的制造中起到了关键作用;同时,它也是一种在交通运输领域具有吸引力的无碳能源载体.工业上生产氨气使用典型的哈伯-博世工艺,但是此工艺涉及大量的能源消耗和碳排放,给环境带来巨大的压力.电化学氮还原反应(NRR)能够在温和环境下实现环境友好、节能的氨合成,但此过程需要高效的电催化剂.高效的NRR催化剂(Au、Ag、Pd和Ru)储量少、成本高,阻碍了它的实际应用.因此,设计和开发由地球上丰富的元素制成的具有成本效益的催化剂来代替NRR催化剂意义重大.本课题组最近的研究(Chem.Commun.,2018,54,12966-12969)表明,SnO2在环境条件下具有电催化氧化活性,但其低电导率限制了其性能,可通过氟掺杂或石墨烯杂化予以解决.氧化铟锡(ITO)作为一种含SnO2的材料,导电性好,可望用于NRR的高效电催化剂中.因此,本文采用商用氧化铟锡玻璃(ITO/G)作为催化剂电极,在温和环境条件下进行N₂-NH₃的电化学转化,并呈现出对生成氨气有较高的选择性.XRD和XPS结果表示,商用ITO/G中存在In,Sn和O元素;SEM显示ITO/G具有清晰的纳米薄膜结构和267 nm的截面厚度;相应的EDX谱图显示In,Sn和O元素分布均匀,且原子比为32.11:3.16:64.74.采用紫外-可见光谱及线性扫描伏安和恒电位极化等电化学测试研究了商用ITO/G的NRR活性.在0.5 M LiClO4电解液中测试时,于-0.40 V vs.RHE条件下,ITO/G的NH₃产率为1.06×10^-10 mol s^-1 cm^-2,其法拉第效率为6.17%.15N同位素标记实验证实了所测到的NH₃是由ITO/G催化的N₂电还原反应生成的.利用第一性原理计算探讨了在ITO催化剂上可能的NRR反应机理,确定了ITO催化剂的NRR活性位点、N₂化学吸附活性位点以及NRR的反应途径.此外,24 h恒电位(-0.40 V vs.RHE)极化测试和2 h恒电位极化(-0.40 V vs.RHE)测试后的XRD和SEM结果表明,该催化剂具有较高的电化学稳定性.综上所述,商用ITO/G用作在环境条件下将N₂转化为NH₃的有效催化剂电极,将为开发人工固定氮气的ITO基纳米结构提供一种研究途径.     

双功能催化剂催化CO2加氢制低碳烯烃反应中In2O3的尺寸效应

CO2催化加氢转化成高附加值化学品如低碳烯烃(C2=–C4=)等是减少碳排放的有效途径之一.采用金属氧化物/分子筛双功能催化剂可以实现CO2加氢直接高选择性合成C2+碳氢化合物.通常认为,金属氧化物组分可以活化CO2转化为甲醇等含氧中间体,该中间体在分子筛孔道内进一步转化为各种烃.氧化铟(In2O3)/SAPO-34双功能催化剂由于具有出色的催化CO2加氢制低碳烯烃反应性能而备受关注,然而,仍需进一步提升催化剂的催化性能以推动该反应的工业应用.目前,氧化物的结构与双功能催化剂性能之间的关系还不明确,这不利于其催化性能的改善.现有关于金属氧化物纳米粒子的尺寸(特别是小于23 nm)效应及其对双功能催化CO2加氢反应的活性和产物分布的影响的报道较少,对此深入理解将有利于设计更高性能的催化剂.本文采用沉淀法,通过控制焙烧温度得到了一系列尺寸为7～28 nm的立方相In2O3,通过多种表征手段探究了In2O3的尺寸对其结构与表面化学性质的影响.结果表明,随着In2O3晶粒尺寸的减小,其氧空位数目、CO2、H2与NH3吸附量以及Lewis较强酸性位比例均逐渐增加.在350oC,3 Mpa,9000 mL·gcat–1·h–1和H2/CO2比为3的反应条件下,研究了In2O3/SAPO-34双功能催化剂中In2O3粒径对其催化CO2加氢制低碳烯烃反应性能的影响.结果表明,随着双功能催化剂中In2O3尺寸的增大,低碳烯烃(尤其是丙烯)选择性、收率及烯烃与烷烃比例均先升高后降低,在尺寸为19 nm的In2O3上达到最大值,分别为76.9％、12.3 mmol goxide–1 h–1和4.8.较小尺寸的In2O3虽然具有较大的比表面积和更多的氧空位,并为CO2和H2的活化提供了更多的活性位,但小于19 nm的颗粒更容易烧结;In2O3的尺寸还会影响其与SAPO-34的协同效应,进而影响双功能催化剂的催化活性.此外,相对于其它尺寸的In2O3,19 nm的In2O3更有利于甲醇中间体的生成.因而19 nm In2O3耦合SAPO-34的双功能催化剂性能最好,其催化CO2转化率最高,为14.1％.综上,适中尺寸的In2O3能够促进In2O3/SAPO-34上CO2加氢制低碳烯烃反应.这些结果为通过平衡结构稳定性和催化性能来设计更有效的催化CO2转化的复合催化剂提供了理论指导.     

从碳点到碳化聚合物点:发展和挑战

碳点(CDs)由于其出色的光学性能、高生物相容性和低毒性,因此在许多领域都具有潜在应用.对其光致发光(PL)机制的认识已得到广泛研究,对于指导可调节PL发射的CDs的合成和推广应用具有重要意义.但是,PL发射的内在机理尚不清楚,并且由于颗粒结构的差异,尚未找到统一的机理.本综述根据对结构和性能特征的分析,总结了一种新的...     

碳点的制备及电化学能源应用进展

碳点是零维纳米碳材料的一种典型代表,由碳原子sp²/sp³杂化构成且尺寸通常小于10 nm.碳点独特的尺寸效应赋予其丰富的边缘活性位点和易于功能化调控等特性,在电催化、能源存储与转化等领域表现出广阔的应用前景.基于此,揭示碳点的形成机制及阐明其结构与性能的基本规律,以指导碳点的合成并获得优异的催化性能具有重要意义.本文在介绍碳点制备及调控策略的基础上,结合理论研究分析了碳点类催化材料活性的来源,并着重评述了碳点在电化学领域的最新应用进展,探讨了功能碳点材料未来发展的机遇与挑战.