綠色催化
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-19
綠色催化的實例教程
蓋世汽車訊 據外媒報道，澳大利亞科廷大學（Curtin University）開發了一種新電催化劑，可用于從水中獲取綠色氫。這種催化劑成本更低、更加有效，或將為大規模生產清潔能源開辟新途徑。
（圖片來源：科廷大學）
通常來說，科學家們一直使用鉑等貴金屬催化劑，來加速水分解為氫和氧的速度。科廷大學的研究人員發現，以前使用的催化劑效率低下，往其中加入鎳和鈷，可以提高其性能。這種Ni2+/Co2+ doped Au-Fe7S8納米片具有極高的析氧反應活性，可以減少分解水所需要的能量，并提高氫的產量。
研究負責人Dr. Guohua Jia表示，這項研究將對未來的可持續性綠色制氫產生深遠的影響。“基本上來說，我們的研究采用的是二維鐵硫納米晶體，并加入少量的鎳和鈷離子。通常情況下，這種晶體不能用作從水中得到氫的電驅動反應的催化劑。我們的做法將性能不佳的鐵硫完全轉化為可行且高效的催化劑。
“使用這些儲量更豐富的材料，成本更低，而且更有效。相比之下，目前使用的基準材料，如氧化釕，使用是更貴的釕無素。我們的發現不僅拓寬了現有的可能粒子組合‘調色板’，而且引入一種新的、有效的催化劑，也可能用于其他應用。”
研究人員表示，這將促進從化石燃料向清潔能源過渡。下一步是在更大的范圍內進行測試，以測試其商業可行性。
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綠色能源技術如電解水和燃料電池等由于其無污染的特點, 近年來一直受到人們的廣泛關注. 然而, 在合成其催化劑的過程中多會消耗化石能源, 從而造成環境污染, 形成惡性循環. 因此, 在無額外能量輸入的條件下合成高效的電催化劑是非常必要的, 但同時又充滿挑戰.
中科院蘇州納米所王強斌教授課題組通過簡單的一步合成法在室溫下制備了一種具有高效析氧催化性能的鎳鐵層狀雙氫氧化物/泡沫鎳(NiFe LDH/NF)催化劑.
圖1 鎳鐵層狀雙氫氧化物/泡沫鎳(NiFe LDH/NF)催化劑的制備和形貌
NiFe LDH的形成遵循溶解-沉淀機理: Fe離子水解產生的酸性環境聯合NO3-, 刻蝕泡沫鎳表面, 形成Ni離子, 隨后, Ni離子與水解的Fe物種原位共沉淀于 泡沫鎳表面, 生成NiFe LDH. 所得到的NiFe LDH/NF在堿性環境下, 表現出高效的電催化析氧反應性能.
在1 mol/L的氫氧化鉀溶液中, 當電流密度為10 mA/cm2時, 其電位低至1.411 V vs. RHE, 相應的塔菲爾斜率僅為42.3 mV/dec, 而在電流密度為100 mA/cm2時, 所需電位也僅為1.452 V vs. RHE.
此外, 該材料還表現出卓越的結構穩定性. 這種綠色制備NiFe LDH/NF的合成方法有望在OER催化中得到廣泛的應用.
本工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9356-1
展開 其中，光催化析氫是最重要的氫能技術之一，其關鍵是開發高效、穩定、可持續的光催化劑。共軛微孔聚合物作為新型多孔材料，具有結構可靈活設計、孔道可自由調節、孔表面可豐富修飾以及光電性質可調控等特點，逐漸在氫能制備領域發揮重要作用。但是，目前大多數共軛微孔聚合物的合成都是通過昂貴的金屬催化劑催化偶聯來完成，反應條件較復雜，成本較高，發展綠色、溫和的合成方法仍然存在挑戰。
基于上述背景，東華大學材料科學與工程學院廖耀祖教授課題組發展了經典Chichibabin吡啶合成方法，提出采用簡單的醛酮縮合策略，建立了吡啶基共軛微孔聚合物（Pyridyl conjugated microporous polymers, PCMPs）非金屬制備反應體系（圖1）。該合成方法不需要金屬參與，反應條件溫和高效，可在幾分鐘內完成反應。通過調節縮合單體官能團數、幾何形狀以及分子尺寸等，實現了PCMPs的比表面積、孔徑分布、光吸收以及帶隙結構的精準調控。
圖1 Chichibabin反應合成PCMPs示意圖
研究表明，PCMPs的比表面積高達523 m2/g，可以在紫外-可見吸收光譜下顯示出較寬的吸收范圍，表現了可調控的帶隙結構（1.85~2.77 eV）（圖2）。光催化析氫性能測試結果表明（圖3），吡啶基共軛微孔聚合物在全光譜下平均析氫速率接近1200 μmol·g-1·h-1，優于多數非金屬偶聯法制備的共軛高分子光催化析氫材料。這項工作還揭示了吡啶活性位點空間分布與連接方式對提升可見光催化產氫性能的重要性，對未來合理設計有機高分子光催化材料提供了一條綠色的途徑。
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同時楊英威教授課題組發展了系列基于新型/傳統超分子大環受體的有機熒光功能材料和有機-無機雜化材料，拓展了它們在固體發光材料、污染物/離子檢測與吸附、綠色催化、超分子凝膠、超分子化療、藥物控釋、生物醫學等領域的應用與實踐（Adv. Mater. 2018, 30, 1800177; Adv. Mater. 2019, 31, 1903962; Adv. Funct.
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