光电化学氮还原:一种可持续的氨合成方法（英文）

氨是一种重要的化工产品和非碳基能源载体,全球年产量已达2亿吨.目前,氨的工业化生产主要依赖Haber-Bosch工艺,其能耗高且污染严重.因此亟需开发一种低碳环保的替代工艺以实现氨合成工业的可持续发展.现阶段主要有三种比较有发展潜力的新型氨合成工艺,即电催化、光催化和光电化学氮还原产氨技术.这些氮还原技术都可在温和环境条件下合成氨,具有能耗低、零排放等优势,被认为是替代Haber-Bosch工艺的有效途径,受到广泛关注.其中,与前两者相比,光电化学氮还原具有明显优势:与电催化氮还原相比,光电化学氮还原能够实现从太阳能到化学能的直接转化,具有较高的能量转化效率;而与光催化氮还原相比,光电化学氮还原系统中的外加偏压能够加速激子分离,有效提高太阳能到化学能的转化效率.在光电化学氮还原过程中,其核心组件光电阴极材料的性能决定了反应的氨产量、选择性和稳定性.本文总结了近年来光电化学氮还原领域的最新进展,特别是其中涉及的光阴极材料.首先,详细介绍了光电化学氮还原所涉及的基本原理和面临的主要瓶颈.其次,逐一总结了已报道的用于光电化学氮还原的光电阴极材料,包括氧化物(氧化铜、氧化亚铜、碘氧化铋、溴化氧...     

太阳能光热化学分解CO_2和H_2O的研究进展

利用太阳能作为能量来源,将CO2和H2O直接转化为化学燃料,既可降低大气中的CO2浓度,又能将太阳能转变为易于储存与运输的化学燃料,对低碳减排以及太阳能利用均具有重要意义.其中太阳能光热化学转化方式可以利用整个太阳能能谱,理论上具有较高的能量转换效率,逐渐受到国际社会的关注.本文简要综述近年来这一研究领域的一些重要进展,总结本课题组在热化学法分解CO2和H2O方面取得的最新结果,对太阳能光热化学转化CO2和H2O的未来发展进行展望.     

光催化固氮:人工光合成的新途径（英文）

氨不仅是一种广泛使用的化工原料,还可用作重要的能源载体.哈伯法合成氨被认为是20世纪最伟大的发明之一,为人类社会的发展做出了巨大贡献.同时,氨合成过程每年需要消耗世界总能源的1%–2%.因此,开发绿色清洁的氨合成方法一直是世界范围内工业界和学术界关注的热点.随着人工光合成太阳燃料研究的蓬勃发展,利用太阳能光催化的方式实现在温和条件下合成氨吸引了越来越多研究者的兴趣,因为这是一条最为理想的能源利用途径,即直接利用太阳能将氮气和水转化为氨.近期,该研究领域涌现了一系列有代表性的研究工作,报道了利用半导体光催化剂实现太阳能到氨的转化,虽然整体效率仍很低,但是已经证明了利用太阳能直接将氮气转化为氨的可能性.光催化合成氨过程中,最具挑战的是氮气分子在半导体光催化剂表面的吸附和活化.研究表明,通过在半导体光催化剂表面引入空位或者缺陷可有效地增加氮气的吸附,且很可能成为氮气分子活化并参与反应的活性中心.此外,借鉴自然界豆类植物固氮酶的独特结构,利用其对于氮气分子高效活化的独特优势,构建自然-人工杂化体系也是提升氮气吸附与活化的有效策略之一.本综述将从合成氨过程中氮气的吸附与活化问题入手,分别从缺陷与空位调控和固氮酶两个方面的策略考虑,结合几个典型的光催化剂体系(如卤氧化铋,二氧化钛及水滑石等)作为示例,介绍空位调控与模拟固氮酶策略对太阳能光催化固氮的影响并分析其可能的机理.虽然人工光合成固氮研究取得了一些进展,但是目前效率太低,亟需从基础科学问题的认识和理解上有新的突破,如氮气分子的吸附与活化微观过程、空位可控调变策略、新型光催化剂的开发与表界面修饰、氨氧化逆反应的抑制策略及精确的理论模拟指导人工光合成固氮体系的构建等.最后,对人工光合成固氮研究方向面临的挑战和未来的发展方向进行了总结与展望.     

丙酮酸及其衍生物的某些特异反应研究

合成了3个丙酮酸的衍生物.结果发现,2'-(N-苄氧羰基甘氨酰脯氨酰胺基)丙酮酸乙酯不稳定,该化合物可以通过自催化水解；与其他脂肪酸不同,丙酮酸与N,N-二异丙基碳二亚胺(DIC)反应形成稳定的加合物,该加合物对醇以及二级胺不敏感；在酰肼的作用下,1-氯-N,N,2-三甲基丙烯胺不能将丙酮酸转化为丙酮酰氯,而是得到2-羟基丙烯酸异丁基酯.     

钴基非均相催化剂在光催化水分解、二氧化碳还原和氮还原的研究进展与展望（英文）

利用大自然丰富的太阳能驱动水、二氧化碳或氮气转化为高附加值燃料(如H₂, CO, CH₄, CH₃OH或NH₃等),实现人工光合成,将储量丰富的太阳能转化为可利用的清洁化学能源,被认为是解决能源短缺和环境问题的关键技术之一,能够有效缓解能源危机和全球变暖,极具应用前景.因此,各种类型的光催化剂相继被开发出来,以满足光催化的需求.其中钴基多相催化剂是最有前途的光催化剂之一,它可以通过扩大光吸收范围、促进电荷分离、提供活性位点和降低反应能垒等途径有效提高光催化效率,为太阳能燃料转化利用开辟广阔的前景.本文首先介绍了光催化水分解、CO₂还原和N₂还原的基本原理.然后,总结了基于钴基催化剂的改性策略,包括形貌、晶面、结晶度、掺杂和表面修饰,重点讨论了钴基多相材料在水分解(产氢、产氧和全解水)、二氧化碳还原以及氮还原领域的光催化进展.最后,对钴基光催化剂当前面临的挑战和未来的发展作了展望和总结.提出了钴基光催化剂未来的一些研究方向.包括:(1)基于材料光催化体系的设...     

解析光电化学氮还原合成氨中局域电子结构和合金化的协同效应（英文）

氨是氮肥等工业的主要原料,因此氨产量居各种化工产品的首位.目前,90%以上的氨通过传统Haber-Bosch法制得,但该反应需要在高温高压下进行,消耗大量能源,同时排放大量CO₂.基于此,科研人员致力于寻求一种绿色、高效的合成氨替代方法.其中,利用太阳能,通过光电化学氮还原合成氨是最有潜力和竞争力的方法之一,该方法也为有效利用太阳能提供了新途径.目前,虽然光电化学氮还原研究取得了一定进展,但是氨产率和氮转换效率低限制了其经济可行性.这主要归因于四个方面:(1)牢固的氮氮三键使得氮气难以活化;(2)复杂的多步和多电子反应使得动力学迟缓;(3)析氢竞争反应降低了太阳能-氨的转换效率;(4)氮气在水溶液中的溶解度低导致吸附在光电阴极表面的氮气较少.为解决上述问题,本文通过溅射法在B掺杂的p型(100)晶向硅片上共沉积Au,Co和Pd,然后在600℃下和空气中快速退火,制得由助催化剂/保护层/光吸收层组成的层级硅基光电阴极,并用于氮还原合成氨.成分和结构表征结果表明,层级硅基光电阴极由p型硅光吸收层、二氧化硅保护薄层和AuCoPd合金纳米颗粒助催化剂组成,该电极可表示为A...     

光电催化用于高附加值化学品合成

化石燃料的过度消耗导致了能源短缺和环境破坏,因此可再生清洁能源的开发已成为当务之急.在众多可再生能源中,太阳能因其环境友好,储量巨大且分布广泛等特点而引起了研究者们的兴趣.光电催化(PEC)是一种能够将可再生太阳能转化为化学能的方法,而最受关注的是通过PEC水分解来获得高附加值的氢能源.欲使PEC系统实现水分解,理论上...     

缺陷态钒酸铋超薄结构实现高效稳定的光还原二氧化碳性能

<正>人工光催化还原二氧化碳是利用太阳能激发半导体光催化材料产生光生电子与空穴,诱发氧化-还原反应将CO_2和H_2O转化为碳氢燃料,是一种转化和利用CO_2的新途径。与其它方法相比,该过程在常温常压下进行,直接利用太阳能,可实现碳的循环使用,因而被认为是最具前景的CO_2转化方法之一~(1,2)。近年来,研究表明一些氧化物和硫化物等具有光还原CO_2活性,但这些材料低的光转换效率以及严重的光腐蚀限制了其进一步的应     

水相介质中负载纳米金催化CO高选择性还原糠醛

近年来可再生资源以及化工原料的多元化备受关注,生物资源成为其中的一个新亮点。糠醛是一种可由生物质转化而来的重要化工原料,将其催化还原直接转化为糠醇是构建以糠醛为平台化合物的生物基呋喃衍生物价值链的重要环节。长久以来,糠醛制糠醇研究主要集中在以 H2作氢源的加氢工艺及相关催化剂配方的优化、改进等方面,尽管在工业上已获得成功应用,但由于需大量消耗源于化石燃料的 H2,使得该路线总体上仍依赖于化石能源。此外,大量使用 H2所涉及的储存、运输和使用条件苛刻以及如何有效控制目标产物的选择性等问题也一直是糠醛传统催化加氢所面临的挑战。因此,寻求可替代传统氢气作氢源,更为经济实用且高效的糠醛高选择性催化还原制糠醇路线,对于发展以糠醛转化为技术核心的新一代糠醛基化工产业链,以及实现诸如5-羟甲基糠醛等其它重要生物质基平台化合物的还原转化,均具有重要意义。本文旨在通过实证性实验,考察以价廉且来源丰富的 CO替代 H2来实现高选择性液相糠醛催化转化制糠醇的可行性。众所周知, CO不但是 C1化学工业中至关重要的基础原料,在发展并完善面向未来的低碳能源及化学品清洁合成新技术等方面也有着非常大的应用潜力。鉴于 CO也是炼钢焦炉气的重要组成部分,因此开发新颖的基于 CO的还原转化和相关反应新技术,不但可有效拓展 CO的潜在应用范围,对于实现传统高能耗行业的节能减排和转型升级也有着重要的启示和借鉴意义。我们近期利用 CO/H2O为还原介质,在温和条件下实现了纳米 Au催化取代硝基或羰基化合物高效、高化学选择性还原,本文系统研究了包括传统铂族金属在内的各类高分散贵金属催化剂、反应温度、反应压力以及反应时间等对糠醛转化率和糠醇选择性的影响。通过优化催化剂制备和反应条件,发现以 CO/H2O作为氢源,在金红石单相 TiO2负载纳米 Au(Au/TiO2-R)的催化作用下,于90oC, CO压力为4 MPa,糠醛与 Au的摩尔比为200的条件下反应4 h即可实现糠醛至
　　糠醇的定量转化。研究表明,上述过程中催化剂可多次循环使用;反应温度或反应压力的增加均有利于反应进行,且在糠醛与纳米 Au的摩尔比高达2000甚至5000时,反应仍可完全进行到底。尤其值得一提的是,该催化体系对于反应原料中含有相当杂质的非新鲜提纯的粗糠醛亦具有很好的耐受性,甚至可直接以各种 H2/CO比例的来源广泛的合成气为氢源,实现目标反应,表明该体系是一种极具开发和应用潜力的糠醛转化制糠醇新技术。     

低温低压空气固氮制硝酸的研究

硝酸是化学工业的重要产品.目前国内外普遍采用的氨氧化制硝酸的方法工艺路线长、能耗高.迄今有关空气固氮的研究较少,且反应条件苛刻.Haselden等在2200℃、1MPa下将空气中的氮氧化成氮氧化物(NO_x),进而制取硝酸,但生成的NO_x最高浓度仅为2％. 本文以空气为原料,NO_x和(或)硝酸蒸汽为活性反应介质,在160～360℃、0.02～0.4MPa下使氮、氧与活性反应介质在固氮催化剂上作用生成更多的NO_x,新生成的NO_x重量百分浓度可达4％～6％。该法的能耗和成本仅为氨氧化法的一半,是很有价值的工艺路线。     

再燃煤粉的NO还原特性研究

实验研究了原煤、煤焦以及煤在不同气氛下受热得到的气体产物对NO的还原特性。结果表明，原煤的NO还原能力不仅与其挥发分含量有关，还与煤中的矿物质有关；制焦气氛中的O2能改变煤焦对NO的还原能力，其改变与煤种有关。高挥发分煤所释放的挥发性产物对NO的还原率也高， 但Tongchuan(TC)煤除外。TC煤的挥发分含量不高，但由TC煤得到的挥发物对NO的还原率与高挥发分的Sanxie(SX)和Shenmu(SM)煤释放的挥发物相当。煤在N2环境下所释放的气体产物对NO的还原能力比CO2气氛下释放的气体产物对NO的还原能力强，但TC煤除外。同样，制气气氛中的氧对燃煤挥发物的NO还原能力的影响也很大，这种影响与煤种有关。     

富氧条件下Ir催化NO反应

用浸渍法制备了系列Ir催化剂, 研究了富氧条件下Ir催化NO的反应, 考察了催化剂的催化反应性能及负载量和载体对催化活性的影响. 结果表明, 在Ir催化剂上不仅发生了NO氧化反应, 同时也发生了NO还原反应; Ir催化剂对NO反应有催化作用, 催化活性随Ir负载量的增加而增强. 载体对催化剂活性有一定的影响, 负载量低于0.1%(w)时, 催化NO氧化的活性顺序为Ir/ZSM-5>Ir/γ-Al2O3>Ir/SiO2, 这主要受载体自身性质的影响; 负载量高于0.1%时, 催化NO氧化的活性顺序为Ir/ZSM-5>Ir/SiO2>Ir/γ的活性顺序为Ir/γ-Al2O3>Ir/SiO2>Ir/ZSM-5, 这主要由于载体吸附作用促进了NO2在Ir催化剂上吸附分解. 与Pt催化剂相比, Ir催化剂更有利于促进NO还原.     

Templated synthesis and catalytic properties of an Rh/ceria-zirconia catalyst

Ceria-zirconia nanophase with structural defects and high thermal stability was synthesized by a surfactant-templated method. The 0.5 wt.% Rh/ceria-zirconia catalyst shows high activity for NO reduction by CO under an oxygen-rich condition, and the selectivity to 100% N₂ below 200°C was achieved.     

乙烷在金属铁表面还原NO的实验研究

温度300~1 100 ℃时,由程序控温电加热水平陶瓷管反应器在N₂气氛和模拟气氛下,对乙烷在金属铁表面还原NO的特性进行了实验研究。结果表明,乙烷在金属铁表面能够高效地还原NO。在N₂气氛中,温度高于900 ℃时,乙烷在金属铁表面的脱硝效率超过95%。在模拟烟气条件下,当温度超过900 ℃,且过量空气系数小于1.0时,乙烷在金属铁表面还原NO的效率能够达到90%以上。相同条件下,乙烷在金属铁表面脱硝效率高于甲烷的脱硝效率。SO₂对乙烷在金属铁表面还原NO的效率影响可以忽略。对反应后的铁样品的组分进行了XRD表征,在此基础上对反应机理进行了分析。结果表明,在模拟烟气条件下NO的还原通过乙烷的再燃脱硝和金属铁直接还原两个机理完成。金属铁直接还原NO时生成的氧化铁则被乙烷还原为金属铁,从而使得金属铁能够持续对NO进行直接还原。乙烷再燃还原NO的中间产物HCN被氧化铁氧化为N₂,同时氧化铁也被HCN还原为金属铁。这一过程增强了NO的持续还原反应,同时避免了在燃尽时HCN二次氧化重新生成NO,从而保证了较高的NO还原效率。     

Thiophene and Cyclohexane Conversion on Alumina Supported Ni and NiMo Catalysts

A two-stage packing of a 30 wt.% Ga₂O₃/Al₂O₃ catalyst and a mixture catalyst of 30 wt.% Ga₂O₃/Al₂O₃ with 10 wt.% of Mn₂O₃ is shown to be quite efficient to NO selective reduction by a lower hydrocarbon under lean conditions. A high NO reduction conversion was observed in the temperature range of 200-600°C.     

汽车尾气中NO的脱除方法

对汽车尾气中NO的脱除方法进行了介绍。对于选择性催化还原,目前的方法主要有以NH3作为还原剂选择还原NO、以碳氢化合物作为还原剂选择还原NO和三效催化剂法。非选择性催化还原方法主要包括CO催化还原NO和H2催化还原NO等。NO的直接催化分解和贫燃条件下NO的催化还原也得到了广泛研究。低温等离子体技术、改性碳纤维以及TiO2光催化法等是近几年新发展的脱除方法。     

Atomistic Mechanisms for Catalytic Transformations of NO to NH3, N2O,and N2 by Pd

The industrial pollutant NO is a potential threat to the environment and to human health. Thus, selective catalytic reduction of NO into harmless N\begin{document}$_2$\end{document}, NH\begin{document}$_3$\end{document}, and/or N\begin{document}$_2$\end{document}O gas is of great interest. Among many catalysts, metal Pd has been demonstrated to be most efficient for selectivity of reducing NO to N\begin{document}$_2$\end{document}. However, the reduction mechanism of NO on Pd, especially the route of N\begin{document}$-$\end{document}N bond formation, remains unclear, impeding the development of new, improved catalysts. We report here the elementary reaction steps in the reaction pathway of reducing NO to NH\begin{document}$_3$\end{document}, N\begin{document}$_2$\end{document}O, and N\begin{document}$_2$\end{document}, based on density functional theory (DFT)-based quantum mechanics calculations. We show that the formation of N\begin{document}$_2$\end{document}O proceeds through an Eley-Rideal (E-R) reaction pathway that couples one adsorbed NO\begin{document}$^*$\end{document} with one non-adsorbed NO from the solvent or gas phase. This reaction requires high NO\begin{document}$^*$\end{document} surface coverage, leading first to the formation of the trans-(NO)\begin{document}$_2$\end{document}\begin{document}$^*$\end{document} intermediate with a low N\begin{document}$-$\end{document}N coupling barrier (0.58 eV). Notably, trans-(NO)\begin{document}$_2$\end{document}\begin{document}$^*$\end{document} will continue to react with NO in the solvent to form N\begin{document}$_2$\end{document}O, that has not been reported. With the consumption of NO and the formation of N\begin{document}$_2$\end{document}O\begin{document}$^*$\end{document} in the solvent, the Langmuir-Hinshelwood (L-H) mechanism will dominate at this time, and N\begin{document}$_2$\end{document}O\begin{document}$^*$\end{document} will be reduced by hydrogenation at a low chemical barrier (0.42 eV) to form N\begin{document}$_2$\end{document}. In contrast, NH\begin{document}$_3$\end{document} is completely formed by the L-H reaction, which has a higher chemical barrier (0.87 eV). Our predicted E-R reaction has not previously been reported, but it explains some existing experimental observations. In addition, we examine how catalyst activity might be improved by doping a single metal atom (M) at the NO\begin{document}$^*$\end{document} adsorption site to form M/Pd and show its influence on the barrier for forming the N\begin{document}$-$\end{document}N bond to provide control over the product distribution.     

氧化铝基表层镁铝尖晶石的研究──Ⅲ．Pd／MgAl_2O_4－γ－Al_2O_3

氧化铝基表层镁铝尖晶石的研究──Ⅲ．Ｐｄ／ＭｇＡｌ＿２Ｏ＿４－γ－Ａｌ＿２Ｏ＿３上ＮＯ的吸附态及其与ＣＯ的反应刘希尧（石油化工科学研究院，北京１０００８３）关键词钯催化剂，表层镁铝尖晶石，一氧化氮吸附态，一氧化氮还原氧化铝载耙催化剂上的ＣＯ还原ＮＯ反...     

活性炭表面含氧基团对NO的还原作用

通过Ｃ、Ｈ、Ｎ元素分析和Ｂｏｅｈｍ滴定及ＮＨ３－ＴＰＤ实验揭示了活性炭表面含氧基团数量及分布情况，结果表明，表面含量基团数量和分布决定了活性炭自身还原性及对ＮＯ的还原能力，活性炭表面含氧基团，特别是－ＣＯＯ基团，可能是最重要的ＮＯ还原反应活性中心，提出了该还原反应的机理。     

丙烷在金属铁表面还原NO的实验研究

在程序控温电加热水平陶瓷管反应器、N2气氛和模拟烟气气氛以及300~1 100℃时,对丙烷在金属铁表面还原NO的特性进行了实验研究,并且与相同条件下甲烷在金属铁表面脱硝的效率进行了对比。结果表明,丙烷在金属铁表面能够高效地还原NO。N2气氛中在500~900℃,丙烷在金属铁表面的脱硝效率高于相同含量的甲烷脱硝效率,900℃以上丙烷在金属铁表面的脱硝效率超过95%,并且与甲烷的脱硝效率差别很小。模拟烟气条件下,当过量空气系数SR1小于1.0时,温度超过900℃后丙烷在金属铁表面还原NO的效率能够达到90%以上,且有、无燃尽的情况下,NO的还原率相差不大。在相同的条件下,丙烷在金属铁表面的脱硝效率高于相同条件下甲烷的脱硝效率。SO2对丙烷在金属铁表面还原NO的效率影响很小,可以忽略。