新型催化材料

2023, 17(2):179-188. DOI: 10.20038/j.cnki.mra.2023.000201

[摘要](390) [HTML](76) [PDF 1.12 M](2362)

摘要:
作为天然气的主要成分，甲烷可以通过重整反应大规模制氢，还可以与固体氧化物燃料电池配合进行高效发电，大规模应用减碳效果显著，是实现我国双碳目标的重要技术保障。简述了甲烷水蒸气重整制氢的反应条件，分别从催化剂活性组分材料、载体材料、助剂材料的种类以及制备工艺等方面综述了甲烷重整催化剂的研究进展，并分析了提高重整催化剂性能的方法。研究发现选择金属Ni活性组并掺杂钙钛矿、尖晶石等载体和介孔类助剂的使用，可以有效提高活性元素的分散性、调控催化剂的酸碱度和电子结构，获得积碳少、甲烷转化率高的高性能重整催化剂。此外，合理的制备工艺和热处理条件也会显著提高催化剂活性元素的分散性与表面状态，使其重整性能获得进一步提高。

2 在酸性环境中非贵金属析氧反应电催化剂现状及发展趋势

冯敏，岳鑫

2023, 17(2):189-196. DOI: 10.20038/j.cnki.mra.2023.000202

[摘要](165) [HTML](46) [PDF 3.74 M](1115)

摘要:
质子交换膜（PEM）电解水槽是最有前途的制氢技术之一，其阳极上发生的析氧反应（OER）的缓慢四电子过程决定了整体效率。因此，开发高活性且稳定的电催化剂用于酸性环境下的OER是一个长期的挑战。目前，PEM电解水槽中的阳极或电催化剂多使用贵金属铱、钌及其氧化物，它们不仅在强酸性条件下表现出较差的稳定性，而且成本较高、地壳储量低，极大地阻碍了其商业化应用。因此，在酸性介质下，开发活性高，稳定性良好，价格低廉的非贵金属OER电催化剂对PEM电解槽的大规模应用具有重要的意义。综述了当前常见的各种非贵金属电催化剂，包括过渡金属氧化物、碳基材料和其他类型化合物，并对各类催化剂的优缺点进行了讨论，并提出了酸性OER非贵金属电催化剂的未来发展方向。

3 CoAl-LDH/CoFe基普鲁士蓝衍生双金属磷化物异质结构的高效电催化OER性能

金初龙，曾小军，张祖梁

2023, 17(2):197-204. DOI: 10.20038/j.cnki.mra.2023.000203

[摘要](199) [HTML](37) [PDF 3.01 M](493)

摘要:
电催化水解是生产绿氢的有效途径，但是其阳极的氧气析出反应（OER）动力学缓慢，限制了其大规模应用。采用液相回流法制备了超薄的CoAl-LDH十二边形纳米片，其大的表面积成为良好的催化剂载体，且表面大量未饱和的Co²⁺可有效配位其他阴离子。结合共沉淀法和离子交换法，在CoAl-LDH纳米片表面组装大量超小的CoFe-PB纳米颗粒，以形成CoAl-LDH/CoFe-PB异质结构，再通过原位磷化策略获得CoAlP/CoFeP_x@NC异质结构。在磷化过程中，CoFe-PB纳米颗粒会转化为氮掺杂的碳包裹的CoFeP_x核壳纳米颗粒，以提供足够的活性位点，同时他们也牢固地负载在CoAl-LDH转化而成的CoAlP纳米片的表面，形成稳定的异质结构。由于CoAlP/CoFeP_x@NC异质结构具有丰富的组分、独特的多孔结构和稳定的片层结构，其可以获得优异的电催化OER活性。在碱性电解液（1 mol?L^-1的KOH）中，CoAlP/CoFeP_x@NC在电流密度为10 mA?cm^-2下的过电位为334 mV（vs. RHE）。该研究为低成本和稳定高效的多元金属磷化物基异质结构的电催化剂的设计与制备提供了思路。

4 二维层状WS₂/ZnO范德华异质结光催化剂的设计与理论研究

赵婷婷，姚曼，王旭东

2023, 17(2):205-212. DOI: 10.20038/j.cnki.mra.2023.000204

[摘要](69) [HTML](31) [PDF 2.85 M](466)

摘要:
范德华异质结（vdWH）的构建是一种提高二维材料性能的有效途径，借助第一性原理计算方法系统地研究了WS₂/ZnO vdWH的晶体结构及其电子、光催化和光学性质。计算结果表明，二维WS₂/ZnO vdWH具有II型能带排列特征，能有效分离光生载流子，提升载流子分离效率。由于电子会自发从WS₂转移到ZnO单层，WS₂/ZnO vdWH层间会形成内建电场，有效抑制光激发载流子的复合。与WS₂和ZnO两个单层相比，WS₂/ZnO vdWH的光学吸收系数在可见光区明显提高，数量级可达10⁴ cm^-1，具有增强的太阳能利用效率。通过能带排列计算发现，酸性条件比中性或碱性条件更利于WS₂/ZnO vdWH的光催化水解反应。此外，还探究了机械应变对WS₂/ZnO vdWH电子和光催化性质的影响规律，发现施加双轴拉伸应变可以调控WS₂/ZnO vdWH的II型异质结转变为I型异质结，有望应用于光电器件领域。上述结果表明，WS₂/ZnO vdWH是一种极具应用潜力的分解水光催化剂，计算结果可以为WS₂/ZnO vdWH的设计和制备提供理论指导和科学依据。

5 卟啉基自组装膜同步光催化芳香醇选择性氧化和过氧化氢生成的性能研究

黄昌庚，卜冬蕾

2023, 17(2):213-219. DOI: 10.20038/j.cnki.mra.2023.000205

[摘要](98) [HTML](32) [PDF 1.53 M](346)

摘要:
在温和的条件下实现对芳香醇选择性氧化是一个重大挑战。以中-四（4-羧基苯基）卟吩或中-四（4-羧基苯基）钴卟吩为有机配体、Zn₂⁴⁺为无机金属节点、4,4’-联吡啶为连接体，通过分步方式制备自组装膜（分别命名为TCPP和TCPP-CoTCPP）。利用紫外可见吸收光谱和原子力显微镜对上述自组装膜的制备过程及组装结果进行表征。结果表明：TCPP-CoTCPP中光生电子-空穴对的分离效率和界面电荷迁移率较TCPP高，室温有氧条件下该自组装膜表现出良好的同步光催化芳香醇选择性氧化和过氧化氢生成性能；在优化的反应条件下，TCPP的过氧化氢产量为47.23 mmol，芳香醇氧化为芳香醛的选择性为48.4%；通过对自组装膜的有机配体调控，TCPP-CoTCPP过氧化氢产量提高到68.73 mmol，芳香醇氧化为芳香醛的选择性提升到84.2%。