催化材料前沿最新研究成果精選

 

　　

 

 

 

　　儲量充足的鋁在等離子體應用中可作為金和銀的替代品。鋁納米晶體是一種前景良好的等離子體光催化劑，與催化性的金屬或氧化物復合形成“天線-反應器”異質結構后效果更好。近日，美國萊斯大學Emilie Ringe教授、Naomi J. Halas 教授和英國劍橋大學Rowan K. Leary 教授(共同通訊作者)等利用簡單的多元醇合成路線制備了八種尺寸可調的過渡金屬納米島修飾的鋁納米晶體，其中大部分可作為異相催化劑。用掃描透射電子顯微鏡和電子斷層掃描對高分辨三維結構進行分析，單個納米島尺寸范圍可以達到幾納米，與其他納米島間隔較近。與鋁納米晶體等離子體天線時復合后，上述納米島增強了光吸收并成為強烈的反應熱點。

 

　　文獻鏈接： Transition-Metal Decorated Aluminum Nanocrystals (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04960)

 

　　2. ACS Nano：碳納米管內在手性起源

 

　　

 

 

 

　　進一步發掘碳納米管潛力的關鍵在于闡明其手性起源。目前流行的理論認為催化劑結構通過外延關系產生手性。本田研究所美國公司Avetik R. Harutyunyan 研究員(通訊作者)等研究生長于漂浮液體鎵滴的碳納米管手性豐度(不考慮催化劑特性的影響)并與生長在固體Ru納米顆粒的碳納米管手性豐度進行比較。作者認為碳納米管的手性一般是碳簇內在傾向和催化劑結構之間相互作用的結果。這一發現對構建復雜的納米管生長理論提供一定幫助，也為通過液體催化劑滴手性優先合成碳納米管奠定了基礎。

 

　　文獻鏈接： Intrinsic Chirality Origination in Carbon Nanotubes (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03957)

 

　　3. ACS Nano：微波增強納米金屬自催化生長

 

　　

 

 

 

　　微波(MW)合成作為一種綠色、可持續發展的材料制備方法，吸引了眾多研究人員的關注。對于微波驅動反應提升形成率以及改善質量的報道十分誘人，但更應關注反應機理和耦合到微波場后上述現象如何產生。美國佛羅里達州立大學Geoffrey F. Strouse教授(通訊作者)等首先利用光譜方法分析微波中金屬納米粒子(NPs)的生長，并與NP自催化生長的經典方法進行比較，進而闡明所觀察到的微波場中制備金屬NPs的增強生長行為的基礎。研究明確表明微波生長以自催化機理為模型，繼而引發了納米材料文獻中廣泛報道的形成率提升以及質量改善。

 

　　文獻鏈接： Microwave Enhancement of Autocatalytic Growth of Nanometals (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04040)

 

　　4. Adv. Energy Mater.：具有異質界面的鈀納米粒子負載銳鈦礦TiO2-黑磷復合材料：用于乙醇電催化氧化的高電催化活性和耐久性催化劑

 

　　

 

 

 

　　設計具有增強乙醇氧化反應(EOR)活性的高性能鈀(Pd)基底一直是一個挑戰。上海電力學院閔宇霖教授、徐群杰教授、范金辰副教授(共同通訊作者)等制備了一種新型銳鈦礦TiO2納米片-黑磷(ATN-BP)復合作為Pd納米粒子的基底，并將其用于EOR。在氬氣保護下，將BP納米片與ATN直接球磨形成ATN-BP復合材料，其中BP 納米片與碎裂ATN的通過P—O—Ti鍵互聯。ATN-BP結構不僅有利于改善電解質滲透和電子運輸，對通過Pd和ATN-BP之間的協同互動剝離活性中間體也有很強的影響。結果表明具有Pd、BP和ATN的異質界面的Pd/ATN-BP復合材料展示出超高的電催化活性和耐久性。

 

　　文獻鏈接： Palladium Nanoparticles Anchored on Anatase Titanium Dioxide-Black Phosphorus Hybrids with Heterointerfaces: Highly Electroactive and Durable Catalysts for Ethanol Electrooxidation (Adv. Energy Mater. , 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701799)

 

　　5. Adv. Energy Mater.：通過熱電材料調節CO2氫化催化性能

 

　　

 

 

 

　　熱電(TE)材料最近吸引了廣泛的研究興趣。當前使用的TE材料大多數為重金屬基材料，如Bi2Te3、PbTe等。然而，上述材料并不適合作為介質在高溫下大規模應用，因為其熔點、分解或氧化溫度較低。英國克蘭菲爾德大學Zhaorong Huang(通訊作者)等創新性的將熱電材料BiCuSeO作為基底促進催化二氧化碳加氫。熱電材料具有移動催化劑的費米能級和功函數的能力，使得沉積在其表面的催化劑粒子的催化活性成指數增加。實驗結果表明，CO2轉化率和選擇性顯著增加與熱電的塞貝克電壓有關。這表明熱電效應不僅增加反應速率，還可以使化學平衡移動，導致加氫反應中的CO2轉換的熱力學平衡變化。

 

　　文獻鏈接： Tuning of Catalytic Activity by Thermoelectric Materials for Carbon Dioxide Hydrogenation (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701430)

 

　　6. Adv. Funct. Mater.：用于HER、OER、ORR和鋅-空氣電池的多功能Mo–N/C@MoS2電催化劑

 

　　

 

 

 

　　以廉價、穩定、高效的電催化劑替代貴金屬鉑催化劑在大規模清潔能源器件的應用中具有巨大的潛力。金屬有機框架(MOFs)和金屬硫化物(MDs)由于其超高表面積、分層孔隙結構和高催化活性，為高活性電催化劑的設計提供了廣闊的平臺。武漢理工大學木士春教授(通訊作者)等制備了基于MoS2納米片垂直包覆具有界面 Mo–N偶合中心的Mo–N/C框架的復合電催化劑。上述復合材料在析氫反應(HER)、析氧反應(OER)以及氧還原反應(ORR)中表現出良好的電催化活性和穩定性，是一種多功能電催化劑。有趣的是，該電催化劑作為鋅-空氣電池的陰極也展示出較高的性能。優異的電化學活性應歸因于不同的化學成分之間的協同效應、獨特的三相活躍位點以及分層孔隙框架帶來的快速質量運輸。該工作有望為設計用于電化學能源器件的領先高效MOF/MD基復合電催化劑提供啟發。

 

　　文獻鏈接：Multifunctional Mo–N/C@MoS2 Electrocatalysts for HER, OER, ORR, and Zn-Air Batteries (Adv. Funct. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702300)

 

　　7. Adv. Funct. Mater.：具有增強光電效應的有序超顆粒

 

　　

 

 

 

　　納米晶體表面一般利用絕緣有機配體鈍化，但有機配體阻礙了自組裝納米粒子相鄰模塊之間的電子傳遞。配體切除或交換是一種促進電子轉移的可行策略，但通常表面狀態變化會導致性能下降或不可控的團聚。中科院化學所王鐵教授(通訊作者)等利用熱控制乳液基自組裝方法制備了具有界限清晰超晶格域的3D超緊超粒子。超粒子中的粒子間距縮小至約0.3 nm，因為有機配體匍匐于納米顆粒表面，足以克服電子轉移的障礙。有序緊致的超結構促進了CdSSe量子點(QDs)之間的耦合和電子能量傳遞。

 

　　文獻鏈接： Ordered Superparticles with an Enhanced Photoelectric Effect by Sub-Nanometer Interparticle Distance (Adv. Funct. Mater. , 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701982)

 

　　8. Energy Environ. Sci.：MoS2/TiO2等離子體光催化劑在高效制氫中的應用

 

　　

 

 

 

　　近日，美國中佛羅里達大學楊陽教授和太平洋西北國家實驗室杜英歌高級研究員(共同通訊作者)等利用電化學腐蝕的方法制備出有序排列的TiO2納米管陣列薄膜，之后在TiO2納米管內表面均勻生長出多層硫化鉬(MoS2)納米片，并將其應用于太陽光分解水制氫中。通過實驗和理論計算證明MoS2中的硫缺陷是造成該材料具有可見光吸收的原因，結合TiO2的紫外光吸收和MoS2本身的近紅外光吸收，制備出一種具備寬光譜吸收的催化劑。TiO2納米管陣列不僅起到吸收紫外光的作用，同時作為MoS2催化劑的基底，從而提高太陽光的利用效率和光催化過程的穩定性。進一步的實驗證明上述催化劑可實現分解海水制氫。

 

　　文獻鏈接： MoS2/TiO2 heterostructures as nonmetal plasmonic photocatalysts for highly efficient hydrogen evolution (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02464a)

 

　　9. Energy Environ. Sci.：通過等離子體合成低含量貴金屬的W1-xIrxO3-δ水氧化電催化劑

 

　　

 

 

 

　　利用可再生的電能分解水可能是最有希望可持續生產氫氣的途徑之一。目前商業化的水氧化催化劑仍主要依賴昂貴和稀有的貴金屬氧化物。美國路易斯威爾大學Joshua M. Spurgeon (通訊作者)利用儲量豐富的鎢作為結構金屬來減少貴金屬銥的使用，同時仍保持了較高的活性和穩定性。隨著金屬Ir含量低至1%，析氧的過電勢已具有一定競爭力。相比Ir含量較高時，含量低時高結晶度、純相的銥多鎢酸鹽催化活性更佳。此外，等離子體法合成材料的電催化性能相比通過標準的熱氧化合成材料大幅提高，展示出非平衡合成對于發現新型催化劑的意義。

 

　　文獻鏈接： A low-noble-metal W1-xIrxO3-δ water oxidation electrocatalyst for acidic media via rapid plasma synthesis (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02626a)

 

　　10. Nano Energy：組成可調的Au-Pt雙金屬薄膜用于電催化還原CO2

 

　　

 

 

 

　　Au電催化劑可將CO2還原為CO，然而Au的催化活性仍然受到CO2活化的限制。相反，Pt可將CO2活化并轉換成吸附態CO。荷蘭代爾夫特理工大學Wilson A. Smith (通訊作者)等首次探究了具有可控組成和平面形態的Au-Pt雙金屬薄膜的電催化還原 CO2性能。通過實驗和理論系統性研究了二元催化劑組成的對還原CO2催化活性和選擇性的影響機制，主要產物的形成(H2和CO)與表面成分的變化密切相關，而HCOOH的形成發生在較低的電位，產量顯著提高。因此，兩種金屬的表面組成和雙金屬協同作用都有助于Au-Pt 電催化劑還原CO2的整體性能提升。

 

　　文獻鏈接：Electrochemical Reduction of CO2 on Compositionally Variant Au-Pt Bimetallic Thin Films (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.09.043)

 

　　11. Nature Energy：向Co納米片中引入N原子以提高CO2氫化活性

 

　　

 

 

 

　　將CO2加氫轉化為燃料和有用的化學物質有助于降低對化石燃料的依賴。在過去的幾十年中，雖然已經取得了長足的進步，提高CO2加氫催化劑的活性、發展基于非貴金屬的高效催化劑仍然存在巨大的挑戰。中國科學技術大學曾杰教授(通訊作者)等將N原子引入鈷納米片以提高CO2氫化活性。Co4N 納米片在CO2氫化反應中的反轉頻率為25.6 h-1，是Co 納米片的64倍。Co4N納米片的活化能為43.3 kJ·mol-1，不到鈷納米片的一半。機理研究顯示，Co4N納米片轉化為Co4NHx，其中氨基氫原子直接與CO2形成HCOO*中間體。此外，吸附的H2O*通過氫鍵的相互作用活化氨基氫原子。

 

　　文獻鏈接：Incorporating nitrogen atoms into cobalt nanosheets as a strategy to boost catalytic activity toward CO2 hydrogenation (Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/s41560-017-0015-x)