光催化， 電催化，材料領域的案例
二維MXenes及其納米復合材料的表面與異質表面工程-電催化與光催化研究
在HER實驗研究方面，喬世璋課題組[5]合成了金屬硫化物/Ti3C2（金屬硫化物：CdS、ZnS和ZnxCd1-xS）納米雜化光催化劑。這種光催化劑的性能十分優異，在420 nm波長下，表觀量子速率達到了40.1%，可見光下產氫速率達到了14,342 μmol h-1 g-1。
圖7. MXene復合體系HER研究
在電催化方面，研究表明不同官能團對于MXene電催化性能有著十分顯著的影響，其課題組通過實驗和理論兩方面進行驗證發現表面覆蓋氟官能團的MXene材料對于產氫催化有著積極地影響。在實驗上，Mo2C是一種最為常見的電催化MXene材料，諸如Mo2C/2D-NPCs、氮摻雜的Mo2C[8]納米片都表現出了很好的電催化性能。
2.3 MXene在CO2RR催化方面的研究
圖8. MXene在
CO2
RR方面的理論研究
李能教授課題組從新型二維材料MXene 的表界面結構的結構計算設計出發、深入研究CO2捕獲與光催化還原的電子輸運物理機制，提出實現新型的高效光催化還原CO2材料體系的策略；研究了在酸性條件下，MXene-Tx(T=OH)中的羥基還原成H2O 的電化學機理，從理論上證明了形成干凈的MXene 表面的可行性。同時，武漢理工大學余家國課題組合成了2D/2D超薄Ti3C2/Bi2WO6異質結納米復合材料，發現其在CO2RR方面催化性能有有明顯的提升。
2.4.
展開 基于水流弱力驅動的高靈敏柔性壓電光催化劑研究
【引言】
半導體光催化材料有望解決全球能源和環境問題，壓電光催化是實現優異催化性能的有效方法之一，但是壓電光催化劑通常需要超聲等高能耗條件，從而限制了實際應用和進一步發展。在本研究中提出了一種新的材料設計，通過能量轉換柔性薄膜結合半導體催化劑實現優異的壓電光催化性能。
【成果簡介】
中國地質大學（北京）材料科學與工程學院資源綜合利用與環境能源新材料創新團隊張以河教授、安琪副教授和黃洪偉教授指導佟望舒，利用改性石墨烯為增強體，制備聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔復合薄膜，實現了高靈敏的發電儲能性能，在其表面分別負載TiO2、BiOI和CdS三種半導體光催化劑，在水流弱力的作用下，三種復合催化劑的光催化性能均比單一半導體有顯著提升，認為柔性復合薄膜在弱力驅動下，產生周期性電場，提高光生電子和空穴分離效率，使得復合催化劑的光催化性能提升。相關結果發表在國際材料能源類著名期刊Nano Energy (2018, 53, 513-523)上，題為“A highly sensitive hybridized soft piezophotocatalyst driven by gentle mechanical disturbances in water”。
展開 廣西大學聶雙喜教授課題組ACS Nano：摩擦電增強的氣態乙醛光催化降解系統
從而實現了工廠區域內高濃度氣態乙醛的自供電吸收和光催化降解。圖中也展示了氣態乙醛在反應器內經光催化劑降解生成中間產物乙酸以及最終產物H2O和CO2的反應路徑。
圖1. (a) 自供電的光催化降解系統的應用場景。(b) 氣態乙醛在反應器中的反應過程。(c) 乙醛光催化降解的反應路徑。
在該自供電光催化降解乙醛系統中，增加TENG單元的數量有助于提高污染氣體泵入光催化反應器的效率，進而有助于快速去除空氣中大量的氣態乙醛。在該研究中，組裝系統時選擇了8個TENG單元來構成P-TENG。同時，檢測了在不同情況下P-TENG的電輸出性能。
圖2. P-TENG的基本輸出性能。(a) 一個TENG單元在外接負載下的等效模型。(b-c)一個單元在不同旋轉速度下的輸出性能。(d)一個TENG單元在負載不同電阻下的輸出性能。(e) 具有不同TENG摩擦單元數量的P-TENG乙醛吸收和光催化降解系統。(f-g)每個TENG單元在60 r/min時的輸出性能。
評估自供電光催化降解系統對氣態醛類化合物的去除能力。30分鐘后，有P-TENG的體系中乙醛濃度下降了53%，而沒有P-TENG的體系中乙醛濃度僅下降了41％。并且進一步測試了該系統進行多次循環降解后的降解效果以及光催化劑的基本性能。
圖3. (a) 有P-TENG和無P-TENG系統中氣態乙醛的濃度變化。(b) 30分鐘后，有P-TENG和沒有P-TENG系統中氣態乙醛的瞬時去除率。(c) 在不同旋轉速度下具有P-TENG體系的乙醛去除性能。(d)具有P-TENG體系中連續降解乙醛三個循環后光催化劑的循環性能。
展開 納米二氧化鈦/硅藻土復合材料光催化性能實驗
納米二氧化鈦用作光催化劑具有光催化效率高、無毒性、化學穩定性好等特點，目前已廣泛應用于各種廢水、廢氣光催化處理中。由于 TiO2 粒徑小，光催化反應后容易流失，所以近年來研究者們對 TiO2 的固定化做了大量工作。礦物材料作為 TiO2 復合光催化 劑的載體已有大量的研究，如蒙脫石 、凹凸棒石 沸石 等作為基體材料。
硅藻土一般是由統稱為硅藻的單細胞藻類死亡以后的硅酸鹽遺骸形成的，其本質是含水的非晶質 SiO2。硅藻土具有孔隙度大、吸附性強、化學性質穩定、耐磨、耐熱等特點，因此常被用于廢水、廢氣處理領域。目前，納米二氧化鈦復合光催化劑的制備常采用溶膠 - 凝膠法、共沉淀法等，
本實驗即以納米二氧化鈦和硅藻土為原材料，在水介質的機械研磨體系中，采用機械力活化法制備成負載型 TiO2/ 硅藻土復合光催化材料，進而研究不同光照時間下復合材料對甲基橙溶液的降解，通過測定其光催化降解率評價復合材料的光催化性能。該實驗結果對于降低 TiO2 作為光催化劑的使用成本，提高 TiO2 光催化劑的催化效果和應用范圍具有重要意義。
1? 實驗部分
1.1 原材料及儀器 實驗原材料及試劑：硅藻土，40~60 目，納米 TiO2，規格 VK-TG01，TiO2≥ 99.5 %，粒徑 10-15 nm，批號：20090305，杭州萬景新材料有限公司。化學試劑甲基橙，C14H14N3NaO3S，分子 量 327.35，；三乙醇胺， 分析純，批號：20081006，C6H15NO3，北京化工廠。 主要儀器：GSDM-S 型超細攪拌磨；HXSEI 光化 學反應儀；TGL-16C 離心機；。
展開 
MOF衍生出的二維材料在電催化中的應用
【引言】
由于具有更多的活性位點和更短的反應物/產物擴散路徑，二維材料近年來在點催化領域得到越來越多的應用。但目前二維材料的制備主要局限于水熱合成及液相剝離。此類方法往往具有明顯的缺陷：例如水熱不易控制材料的厚度，而液相剝離不僅產率較低而且操作過程經常會使用到對人體有害的化學試劑。納米尺度的晶界缺陷工程能夠顯著提高納米電催化劑在OER、CO2還原等反應中的催化活性。因此，理論上，在二維材料內引入納米尺度的晶界缺陷可以進一步提高二維材料的電催化性能。然而，目前主要使用鋰離子電化學調控的方法來破壞晶粒得到納米多晶材料。因此，在制備方法上尚有一些困難需要克服。
【成果簡介】
美國愛荷華州立大學的科研工作者在ACS Energy Letters上，發表了題為“Defect-Rich 2D Material Networks for Advanced Oxygen Evolution Catalysts”的研究論文，并被選為期刊封面。該工作主要以室溫合成Co-MOF陣列為前驅體，通過室溫條件下乙醇溶液體系對MOF進行破壞/重組，得到納米尺度的多晶二維材料的三維網絡結構。堿性條件下該材料表現出優異的OER活性和穩定性。該工作同時也對Co-MOF的生長及二維材料的形成機理進行了探討。
【圖文導讀】
Scheme 1. 室溫條件下Co-MOF的合成路徑及多晶二維材料的生成示意圖。
Figure 1. Co-MOF 及生成的Co(OH)
2二維材料的結構/成分表征。
Figure 2.
展開 新加坡南洋理工大學Nature Catalysis:二維材料在電催化中的應用
【引言】
二維材料的概念最初是由石墨烯引入的。石墨烯是一種從石墨中剝離出的單原子層碳材料，具有顯著的各向異性和電子特性。在科學家的努力下，其他種類的超薄二維納米材料被開發出來，其中包括單層或幾層的過渡金屬二硫化物、金屬氧化物、層狀雙氫氧化物、六方氮化硼、石墨氮化碳、金屬碳化物、金屬氮化物以及一系列單元素化合物，比如黑磷、單層砷烯、銻烯等。這些材料具有單原子和幾個原子的厚度，層與層之間具有獨特的鍵合作用。這些材料在平面內具有很強的共價鍵合作用，以及層與層之間較弱的范德華作用。這種較弱的范德華作用使其可以很容易地從材料本體剝離形成超薄的納米片層。這些超薄的納米片層由于各向異性，會和本體材料有完全不同的性質。
二維納米材料由于層狀的性質，早期被用于潤滑劑。通過科學家的努力，二維材料憑借其電子結構和獨特的物理性質在很多方面都有應用。石墨烯是一種零能量的半金屬，因為電子高度流動，從而展現出卓越的導電性。通過調整過渡金屬和硫化物種類，過渡金屬二硫化物可以實現作為半導體、絕緣體和純金屬的屬性。絕緣體h-BN和半導體g-C3N4具有很好的熱穩定性和化學穩定性。二維納米材料的這些性質，使其被廣泛地應用在電子器件、傳感器和催化等方面。由于可持續能源的發展，二維材料在這些領域的應用因為受到的廣泛的關注和發展。電催化是未來清潔能源的核心，而二維材料是傳統貴金屬催化劑的很好的替代品。
二維材料在催化領域應用的潛力主要可以概括為三個方面：較大的表面積、機械性能以及很強的傳導性（熱和電）。二維材料較大的比表面積可以提供較多表面活性位點；優異的機械性能可以提供催化的持久性；熱導率可以輔助反應中產生的熱擴散。
展開 2018第二屆全國光催化材料創新與應用學術研討會在長沙成功召開
本次大會展示了我國光催化材料在能源與環境領域的最新科研成果和研究進展，推進光催化領域專家與學者的學術交流與科研合作，也為光催化材料在未來可能的應用提供科學依據，例如光催化材料在車內VOC的去除、氫氣的制備等方面的應用已經提上日程，有助于相關產業的應用與發展。
資料來源：中國化工學會官網，9月19日
南京師范大學李亞飛JACS：PtTe單層材料作為氧還原反應電催化劑
然而燃料電池中陰極氧還原反應（ORR）的動力學比陽極反應慢得多，嚴重影響燃料電池的整體性能，并非常依賴于鉑(Pt)等高效電催化劑的使用。但是鉑基催化劑的高昂價格極大的限制了燃料電池的大規模應用。近年來，二維（2D）材料的興起和單原子催化劑概念的提出為高效催化劑的開發帶來了新的機遇。如果能在不犧牲催化性能的前提下大幅度的提高Pt基催化劑中Pt原子的利用率，將會為Pt基催化劑帶來新的希望。
【成果簡介】
近日，南京師范大學李亞飛教授課題組和德國德累斯頓工業大學Thomas Heine教授（共同通訊）等人基于密度泛函理論（DFT）計算，提出了一種新穎的2D含Pt材料作為ORR催化劑，即PtTe單層。單層PtTe具有良好的熱力學、動力學以及化學穩定性，并且具有較低的剝離能，可以很容易通過機械或者液相剝離實驗上早已合成的PtTe體相材料制得。PtTe單層由于含有鉑原子內層，整體上體現金屬特性。計算表明PtTe單層的表面具有優異的催化活性和對四電子（4e）ORR過程的高選擇性。特別的是，微動力學模擬進一步指出其理論半波電位高達0.90 V，比Pt(111)面的理論值高出50 mV以上。因而PtTe單層有望作為一種良好的燃料電池陰極催化劑。該研究發表于Journal of the American Chemical Society，題為“PtTe Monolayer: Two-Dimensional Electrocatalyst with High Basal Plane Activity toward Oxygen Reduction Reaction”。
展開 Res.綜述：用于電催化的無機低維電極材料的表界面工程
【前言】
科學家們對全球能源安全和替代清潔可持續能源技術的發明給予越來越高的關注，這極大地促進了用于設計新型可再生能源儲存和轉換系統的高活性和低成本的電極材料的開發。具有特殊原子和電子結構的低維固體材料被認為是在表界面結構特征和電催化活性之間建立清晰關系的理想平臺，代表了追求高性能電催化劑的巨大潛力。最近的成果表明，表面和界面原子工程能夠在無機低維納米材料中實現新的物理和化學性質以及用于電催化的優異協同效應。與塊狀對應物相比，無機低維納米材料表面的電子結構對表面和界面改性策略更敏感，因此可以更容易地調節，從而大大優化了電催化性能。在過去的幾年中，無機低維納米材料，例如一維（1D）納米線或二維（2D）納米片，由于其極高的比表面積而在電催化領域引起了廣泛關注。通過尺寸限制，這些低維納米材料可以展現出更多暴露的表面原子，這為通過表面化學改性設計調變材料的物理和化學性質提供了理想的平臺。例如，表面摻入可以協同起作用的催化活性位點和加速動力學過程，并且空位的引入可以調節材料的電導率和吸附自由能。因此，關注無機低維納米材料的表面/界面調節，并且重點關注主要限制參數，為電化學能量轉換系統的發展指明了道路。
【綜述導覽圖】
【成果速遞】
近日，中國科技大學的Pengzuo Chen（第一作者）等人在吳長征教授（通訊作者）和謝毅教授的指導下，在國際頂級期刊Acc. Chem.
展開 揚州大學侯建華&北理工曹傳寶：燈籠狀碘氧鉍基材料展現高效可見光催化性能
光催化技術是一種利用太陽能進行能量轉化用于環境凈化的綠色高級氧化技術。科學研究者關注的焦點是半導體材料的化學組成和微觀結構的調控進而影響材料的氧化能力和物理化學性能，尤其是利用可見光誘導的高效光催化劑（如碘氧化鉍）來進行環境凈化。
【成果簡介】
近期，揚州大學侯建華博士與北京理工大學曹傳寶教授（共同通訊作者）報道了嵌入香蒲草碳的燈籠狀碘氧化鉍材料具有優越的可見光催化性能。在Dalton Transactions上全文發表題為“Lantern-like bismuth oxyiodide embedded typha-based carbon via in situ self-template and ion exchange-recrystallization for high-performance photocatalysis”，并入選內封面論文。研究人員首先在氨氣氣氛中直接碳化生物質廢棄物（枯萎的香蒲草）獲得氮摻雜的竹管狀碳材料（NTC）。室溫攪拌合成的BiOI/NTC作為自我犧牲模板，加入NH3?H2O，利用原位離子交換-再結晶機制合成出具有微/納分級結構的Bi7O9I3/NTC。實驗結果顯示，在2 h內，Bi7O9I3/NTC能夠在可見光下降解93.5%的甲基橙和97.6%的羅丹明B，這展現出比純BiOI更優越的可見光催化性能。
展開 中科大肖翀、謝毅團隊Chem綜述新解二維電催化水裂解材料：玩轉電荷和自旋序
【引言】
基于化石燃料的能源結構的衰退和不斷增加的環境污染，使得開發新型清潔可再生的能源儲存和轉換系統迫在眉睫，這是材料化學家的一項重大使命。從化學角度來看，在外場（例如熱，電，磁或光）作用下化學鍵斷裂和的重建是進行能量轉換和儲存的有效策略。而水裂解反應作為一系列重要的能源轉換技術（例如氫氧燃料電池、金屬-空氣電池和電解池）的核心，急需高效穩定的催化劑來降低反應的能壘，加快反應過程。具有特殊原子和電子結構的二維（2D）超薄固體在追求高效電催化性能方面具有無限的潛力，并已被確定為研究催化劑構效關系的完美平臺。最近，中國科學與技術大學的肖翀教授和謝毅院士（通訊作者）團隊在化學領域頂級期刊Chem上發表了題為“Regulating the Charge and Spin Ordering of Two-Dimensional Ultrathin Solids for Electrocatalytic Water Splitting”的綜述文章。文章的第一作者是Youwen Liu。在這篇綜述中，作者首先清楚地揭示了本征電荷與自旋序（spin ordering）和電催化性質之間的基本關系。然后，在此基礎上，作者總結了最近在2D超薄固體中調節電學行為和自旋序以優化電催化水分解性能的嘗試。此外，作者強調了超薄電催化劑中晶格，電荷和自旋序之間的耦合關系。最后，作者們還就這個充滿希望的領域中存在的挑戰和未來的研究方向提出了一些十分有價值的個人觀點。
【概況】
隨著能源需求的增加，支持一系列可持續能源轉換技術的電催化水分解變得更加重要。探索有效的非貴金屬電催化劑對于這種能量儲存模式的廣泛應用是十分必要的。
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