氨氧化技术在清洁能源开发和污水净化中的研究进展（英文）

随着经济的发展,当今社会对能源的需求不断增加.然而,传统的化石燃料,如煤和石油,虽然能够提供大量的能源,但其资源有限,不可再生,并且燃烧产物对环境有害,不符合绿色低碳的发展理念,亟需开发新型、高效的清洁能源.氨(NH₃)因具有氢含量高、燃烧产物(完全燃烧时产物为N₂和H₂O)无害、可规模化生产、压缩性好、易于储存和运输等优点,被认为是直接氨燃料电池(DAFCs)的理想候选燃料.同时,氨也是常见的含氮污染物,广泛存在于人类生产和工农业活动中.因此,氨氧化反应(AOR)在清洁能源生产和含氨废水处理领域都起着重要作用.本文首先系统总结了AOR在不同领域的研究进展,强调了其在清洁能源领域(如DAFCs)的巨大应用潜力,突出了AOR与水电解反应中的阴极氢析出过程耦合制取氢气在能源转化领域的研究价值,以及AOR在含氨废水处理领域的重要性.然后,讨论了AOR机制:AOR反应过程中存在竞争,并可生成多种含氮产物(如N₂,NO,NO₂,NO₂^-和NO<...     

铱基催化剂在酸性析氧反应中的研究进展

降低对化石能源依赖,实现无碳能源需要构建以可再生能源(如太阳能、风能等)为主体的能源框架.氢气是无碳能源框架下的一种较为理想的能源载体,而电解水制氢技术能够有效制备环境友好的高纯氢气.其中,质子交换膜基(PEM)电解水技术相较碱性电解技术能够实现更高的质子导电性、电解效率、响应速度以及产物气体分离能力,展现出较高的应用价值.然而,由于PEM电解技术工作环境为高腐蚀性的强酸条件,极大限制了催化材料的选择范围.同时,由于PEM电解池的阳极端析氧反应效率远远低于阴极端析氢反应,因此析氧反应作为瓶颈反应决定了PEM电解池的总体工作效率.由于其催化条件同时具有强酸性和强氧化性,目前只有铱基催化剂能够保持较长时间催化活性.二氧化铱(IrO₂)是PEM电解水技术商用析氧催化剂.然而由于铱元素在地球上储量极低(0.001 ppm),因此铱基催化剂的使用严重限制了PEM电解池的大规模应用.为发展PEM电解技术,亟需研制出高活性、高稳定性的新型低铱催化剂来替代IrO₂.本文首先总结了酸性析氧反应的催化机理,并给出了衡量材料催化性能的普适方法.其次,总结了多个课题组利用原位表征技术获得的晶化IrO₂以及无定形IrO_x在不同催化条件下的结构变化,以期了解材料的共性催化特征及影响结构变化的可能因素.再次,进一步重点描述了三类常见低铱催化剂,包括异原子掺杂IrO₂(IrO_x)基催化剂、钙钛矿型铱基催化剂及烧绿石型铱基催化剂,并尝试关联材料结构特征与催化本征性能.最后,介绍了该领域尚未解决的问题与挑战,以期在酸性析氧反应条件下进一步平衡催化材料的催化活性和催化稳定性.     

功能碳基复合材料在锂硫电池正极中的应用

碳基复合材料由于结构可变、形貌可调、成分可控,能够展现出优异的理化特性,在能源存储和转化领域具有极大的应用潜力.其中,锂-硫电池作为高效的能源存储和转化器件,长期受困于硫(S)和硫化锂(Li2S)绝缘的瓶颈,亟需开发高导电的储硫载体帮助锂-硫电池实现可逆充放电.研究表明,碳基复合材料具有强的导电能力,且可以通过表/界面...     

低碳复合能源系统——中国未来能源的解决方案和发展模式?

中国以煤为主的资源禀赋和能源消费结构,以及持续增长的能源需求和CO2减排压力,是中国能源发展所面临的重大挑战.本文提出了"低碳复合能源系统"的设想和解决方案,将煤等高含碳资源与核能和可再生能源等低碳资源进行耦合,通过其物质流、能源流和信息流的集成,提高系统能效和碳效并实现CO2减排与资源化利用,使其成为中国未来能源发展的战略解决方案.在此基础上,构建了核能-煤基低碳复合能源系统、风能/太阳能-煤(生物质)基低碳复合能源系统,并对其进行初步技术经济评估和详尽地诠释.     

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...     

ZnZrOx固溶体催化剂表面羟基在CO2加氢制甲醇中的作用(英文)

CO₂大量排放导致的全球气候变化对人类社会的发展造成不利影响,控制CO₂排放是摆在全人类面前的一项紧迫任务.利用太阳能等可再生能源获得的绿氢将CO₂转化为以甲醇为代表的燃料和化学品,即太阳燃料合成,不仅能够实现CO₂的减排利用,而且能够将可再生能源储存于液体燃料,对缓解全球气候变化和能源危机具有重要的战略意义.CO₂加氢制甲醇是衔接当下化石能源时代和未来可再生能源时代的重要桥梁,亦是实现碳达峰、碳中和目标切实可行的路径之一.高效、稳定的CO₂加氢制甲醇催化剂是实现这条路径的关键因素.在众多催化剂中,以ZnZrO_x为代表的固溶体催化剂因具有高甲醇选择性、良好热稳定性、可抗硫中毒特性而备受关注.因此,设计和开发更高效的ZnZrO_x固溶体催化剂对于CO₂加氢制甲醇规模化应用尤为重要.本文分别利用蒸氨法和共沉淀法制得了相同组成的ZnZrO_x固溶体催化剂,并用于催化CO_...     

能源、环境和灾害国际会议一号通知

由国际环境岩土工程协会(ISEG)、世界减灾联合会(GADR)以及联合国科教文组织 (UNESCO)等共同组织,由美国北卡罗莱纳大学全球能源和环境系统研究所(GIEES)承办的能源、环境和灾害国际会议将于 2005年 7月 24-30日在美国北卡罗莱纳大学夏洛特分校举行。会议议题如下:(1)能源系统:能源消费模式和方针;可再生能源系统;太阳能系统;地热能系统;风能系统;氢和其他可选择的燃料;水电系统;核能系统;大洋潮汐能系统;生物能系统;煤炭能系统;联合循环工厂;石油储存和提炼系统。(2)交通运输、城市和工业系统相关的能源:电动汽车;节能发动机;新型…     

Ni(OH)2量子点助催化剂修饰α-Fe2O3光阳极增强光电分解水性能

氢气具有无毒、能量密度高以及燃烧过程零污染等优点,被誉为是未来代替化石能源的优质新型能源载体.探索高效的、可持续的制氢技术对氢气能源发展至关重要.其中,光电化学水分解电池以太阳能作为驱动力将水分解成氢气和氧气,是解决能源和环境危机的理想途径之一.α-Fe2O3是一种窄带隙(～2.1 eV)半导体,可以吸收约40％的太阳光,同时具有天然丰度高、成本低等优点,是目前备受关注的光阳极材料.然而,由于α-Fe2O3空穴扩散距离短和表面产氧动力学慢等缺点,导致α-Fe2O3的光电分解水效率仍然较低.针对上述问题,目前主要通过掺杂、构建异质结和负载助催化剂等手段来改善其性能.其中,负载助催化剂可以有效降低水氧化活化能和促进表面电荷分离,是改善光阳极性能的有效手段.本文采用离子吸附和螯合剂调控水解两步法,将Ni(OH)2量子点(Ni(OH)2 QDs)原位生长于α-Fe2O3表面,成功构建了Ni(OH)2 QDs/α-Fe2O3复合光阳极.透射电子显微镜结果表明,Ni(OH)2以直径为3–5 nm的量子点附着于α-Fe2O3纳米棒表面,并形成独特且牢固的异质结结构.光电水氧化性能表明,所制备的Ni(OH)2 QDs/α-Fe2O3光电阳极表现出良好的光电性能,其光电流达到了1.93 mA·cm?2(1.23 V vs.RHE),是单纯α-Fe2O3的3.5倍,且Ni(OH)2 QDs助催化剂使α-Fe2O3的起始电位降低了～100 mV.2 h稳定性测试结果表明,Ni(OH)2 QDs助催化剂在提升α-Fe2O3光电水氧化性能的同时,自身能够保持良好的稳定性,这在Ni(OH)2作为光电水氧化助催化剂的研究中较为少见.通过电化学活性面积、开路电压、电化学阻抗谱、注入效率和强度调制光电流谱等表征了Ni(OH)2 QDs对α-Fe2O3光阳极和电解液界面电荷传输的影响.结果表明,Ni(OH)2 QDs不仅能充分暴露水氧化活性位点,促进载流子在界面快速迁移,而且能有效钝化α-Fe2O3表面态,从而降低光生电子-空穴表面复合几率.本文可为多功能和高效量子点助催化剂/半导体光阳极的构建及在光电分解水制氢方面的应用提供一定借鉴.     

绿色化学工作者的代表——Mark T．Holtzapple教授

主要介绍了A&M大学(德克萨斯农工大学)的Mark T. Holtzapple(马克·霍尔特萨普尔)教授在学术领域所作出的的贡献.Mark T. Holtzapple教授因发明了用石灰预处理和细菌发酵等简单技术,把废弃生物质转化成动物饲料、化学试剂和燃料而获得1996年美国总统绿色化学挑战奖的学术奖.他还从事发动机、发电机、电动机和空气调节装置等机械效率和能源利用率方面的研究,其中他参与研发的一款发动机的能源利用率是目前市场上普通发动机能源利用率的2～3倍.     

加速溶剂萃取-气相色谱法测定固体废物中石油烃(C_(10)~C_(40))的总量北大核心CSCD

石油烃是目前环境中广泛存在的有机污染物之一[1],来自于汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡和沥青等,是含有多种烃类(正构烷烃、支链烷烃、环烷烃、芳烃)和少量其他有机物(硫化物、氮化物、环烷酸类等)的复杂混合物[2]。随着经济的发展,人类对能源的需求不断扩大,石油已成为人类最主要的能源之一。     

导电MOFs在能源转化中的应用

可再生能源供应方案包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR)等多种反应,电催化剂对这些反应至关重要。到目前为止,已有一系列导电MOFs作为与能源相关电催化电极材料的报道。本文从提高MOFs导电能力和对产物的选择性、增强MOFs的化学稳定性及增加MOFs的反应活性位点等方面介绍了导电MOFs作为电催化剂的设计策略,重点综述了其在能源转化涉及的HER、OER、ORR以及CO2RR方面的应用,并从材料制备和应用需求角度出发, 对高性能导电MOFs材料在电催化领域所面临的挑战和前景进行了展望。     

LiBH4储氢热力学和动力学调控

为应对能源短缺和气候变化的挑战,调整以化石能源为主的传统能源框架,形成以可再生能源为基础的新型能源结构是我国能源结构升级的必然之路。氢能以其能量密度高、热值大、资源丰富、无污染等优点备受关注。LiBH₄作为最有希望的车载固体储氢能源载体之一已有多年研究,但该材料当前仍无法满足工业应用需求。本文围绕LiBH₄放/充氢反应稳定的热力学与缓慢的动力学的调控,讨论了当前各种主流工艺及其最新研究成果,包括机械球磨激活、纳米限域、催化剂掺杂改性、离子替代、反应物失稳和高能球磨结合气溶胶喷涂(BMAS)新工艺,旨在为其推广应用提供参考和解决方案。值得注意的是,BMAS有能力帮助LiBH₄ + MgH₂复合物等热力学有利体系克服其动力学障碍,并在较低温度下提供促进释放氢气的热力学驱动力。     

PEEM/LEEM技术在两维原子晶体表面物理化学研究中的应用

光发射电子显微镜(PEEM)/低能电子显微镜(LEEM)技术能够原位实时对表面结构、表面电子态和表面化学进行动态成像研究,在催化、能源、纳米、材料等领域有着重要的应用。本文着重介绍这两种技术的新进展,以及该技术在两维原子晶体的表面物理化学研究中的应用;包括原位研究两维原子晶体(石墨烯、氮化硼等)的生长、异质结构的形成、两维原子晶体表面下的插层反应和限域催化反应;将表面原位成像、微区低能电子衍射(μ-LEED)、图像亮度随电子束能量变化(I－V)曲线研究与其它表面表征技术相结合,能够有效理解两维层状材料表面以及层状材料与衬底界面上的动态过程。     

Pr3+:SrTiO3/TiO2-N复合纳米纤维制备及其蓄能光催化活性

以电纺TiO₂-N纳米纤维为基质和反应物,结合一步水热法制备了Pr³⁺:SrTiO₃/TiO₂-N复合纳米纤维。运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)和电子顺磁共振(EPR)等分析测试手段对其物理、化学性质进行了系统表征。结果表明：Pr³⁺:SrTiO₃在光照时能够储存外界光能,并在黑暗环境中缓慢释放,为TiO₂-N光催化反应提供能源,实现了无外光照射下的催化降解功能。Pr³⁺:SrTiO₃/TiO₂-N复合纳米纤维,可见光照120 min,亚甲基蓝被完全降解;四次交替光照(20 min)和黑暗(100 min)实验,其降解率也能达到100%。     

可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应

随着能源短缺和环境问题日益突出, 寻找清洁和可再生能源来替代化石燃料是本世纪科学家面临的最紧迫的任务之一. 为了实现我国“双碳”战略目标, 利用太阳能将二氧化碳(CO₂)转化为清洁燃料和化学品是实现社会可持续发展的途径之一. 催化剂是CO₂光还原技术的核心组成部分, 其可以吸附气态CO₂分子, 在可见光照射下将CO₂还原为一氧化碳(CO)、 甲酸(HCOOH)、 甲醇(CH₃OH)或甲烷(CH₄)等能源小分子. 目前, 新型CO₂还原光催化体系的开发取得了很好的进展. 本文综合评述了近年来均相及非均相丰产金属卟啉类催化剂在光催化CO₂还原中的研究进展, 并对在金属卟啉均相催化剂作用下, CO₂光还原为CO或CH₄的反应机理分别进行了介绍, 还讨论了金属卟啉基多孔有机聚合物与卟啉有机金属框架在光催化CO₂方面的重要应用. 最后, 对可见光驱动卟啉类金属配合物催化的CO₂还原的发展前景进行了展望.     

共价有机框架材料在光催化CO2还原中的应用

全球范围内化石燃料的大量消耗导致了能源危机,同时其所排放的CO₂等温室气体使环境问题日渐突出。将CO₂等废气进一步转化为高附加值燃料是解决能源与环境问题的理想方案。利用取之不尽的太阳能作为能源实现光催化CO₂还原为能源化合物被认为是有效解决此问题的最佳途径之一。共价有机框架材料(COFs)是一类新型晶态多孔有机聚合物材料,具有结构稳定性、可设计性和结构多样化的特征,因此在光催化CO₂还原领域表现出了巨大潜力。本文概述了近年来COFs在光催化CO₂还原领域中的催化应用研究进展,包括引入不同金属离子提供活性位点、增加光敏性官能团提高其对可见光利用率等方法。最后对以COFs材料为光催化CO₂还原催化剂的研究进行了总结和展望,我们认为更进一步的新材料合成、修饰与催化机理研究仍是前景广阔的研究领域。     

光热协同效应在催化反应中的应用研究进展

近几年,随着催化研究的逐渐深入,将两种或多种手段耦合,能够明显地改善催化性能,其中光热协同催化是当前新型催化技术研究的焦点.我们介绍了光热协同催化在能源合成领域的应用,尤其在光热催化CO_2转化、污染物降解、制氢和费托合成等反应.研究结果表明,两者的有效结合可以超越单独热催化或光催化所能达到的效果,在某些反应中能够明显提高产物的收率,改善目标产物的选择性以及降低反应的温度.最后还展望了光热协同催化发展的前景,以及目前仍然面临反应机理尚不明确和合适催化剂的筛选等问题.     

卤氧化铋基光催化剂的构建及其应用在能源转化领域的研究进展

随着社会的飞速发展,传统石化资源的过度消耗不仅会导致能源危机,还会引起环境污染。近年来,研究人员致力于发展新型清洁、高效的碳中和能源。利用光催化技术将低密度的太阳能转化并储存为高密度的化学能有望解决能源短缺、环境污染等问题。在众多催化剂中,卤氧化铋（BiOX）具有特殊的层状结构、合适的带隙位置和良好的光响应性,是一种非常有潜力的光催化剂。然而,其本身的光催化效果无法满足生产生活的需要,因此对其改性研究逐渐成为研究热点。以卤氧化铋作为研究对象,从其结构特点出发,总结提升其光催化性能的改性方法,包括本征改性（形貌调控、元素掺杂和缺陷引入）及异质结构建等,并简述其在光解水制氢、CO——2还原和合成氨等能源转化领域的研究进展,光催化剂的改性不仅能够改变光生载流子的传输方向、提高其分离效率,还能够为光反应提供有效活性位点,为提高光催化活性提供先决条件。最后,对BiOX基光催化剂发展过程中面临的挑战及发展方向进行展望。     

磷化钴@铁-锌双金属磷化物多级纳米复合物的制备及其电催化水分解性能

氢能源因其储量丰富、高效、零污染等特性而受到广泛关注.电解水产氢作为一种有效的获取氢能源的方式成为当前研究的重点.但由于电极表面反应过电势的存在极大增加了电解水的能耗,因此需要开发高效的电催化材料以提高电解水反应动力学.考虑到实际应用,设计和构筑在同一电解液中同时具有高效催化产氢和释氧能力的双功能催化材料更为重要且更具挑战.目前,越来越多的非贵金属基双功能催化材料被开发和报道,比如过渡金属硫化物、氧化物、层状双金属氢氧化物、碳化物、氮化物和磷化物等,其中又以磷化物的研究更为广泛.金属有机骨架化合物(MOFs)因其具有独特的性能(孔隙率高、超高比表面积、可调控的化学组分和孔道结构等)在能源转化等领域得到广泛应用.但是,基于MOFs材料转化的多组分过渡金属磷化物应用于全分解水体系的报道还比较少.先前的研究表明,优化催化材料的微纳结构和化学组成是提高材料催化性能的关键.我们利用三步法(晶体生长、自组装和磷化)设计并制备了一种基于MOFs转化的新型分级纳米复合材料CoP@ZnFeP.透射电子显微镜(TEM)结果显示,自组装形成的花状Co3O4@Fe-MOF-5中空结构在磷化后形貌能够很好地保持.X射线衍射(XRD)表明, CoP@ZnFeP纳米复合物是由大量的混合纳米晶体组成,主要包括Co2P, ZnP2和Fe2P.在碱性(1.0mol/L KOH)条件下, CoP@ZnFeP纳米复合物表现出优异的催化产氢(HER)和释氧(OER)性能,其释氢和产氧的启动电位分别为–50和148m V(vs.RHE),相应的Tafel斜率分别为76和53.9m V/decade.优异的电催化性能主要归功于复合材料的多级纳米结构组元(纳米粒子、纳米笼和纳米管),其有序的多孔结构和大的比表面积有利于电解液的渗透、气体的扩散和电子的转移.作为对比,我们利用相似方法制备了CoP和ZnFeP纳米粒子的机械混合物(CoP/ZnFeP).测试数据表明, CoP@ZnFeP分级复合材料的催化性能优于CoP/ZnFeP机械混合物.鉴于CoP@ZnFeP复合材料优异的催化性能,我们将其应用于全分解水体系.在两电极体系中,达到10m A/cm~2电流密度仅需1.6V电压,表明材料具有优异的全分解水性能.同时该复合物也显示出较好的稳定性,经过24h连续水解后,电解电位仅升高70m V.但同时我们也注意到电极表面剧烈产生的气泡会对电极材料的稳定性有严重影响.此项研究可为设计高效的非贵金属催化材料应用于能源转化和储存等领域提供较好的思路和借鉴.     

咪唑鎓盐基材料电催化二氧化碳还原研究进展（英文）

随着化石能源的使用日益增加,大气中CO₂的浓度不断上升,给环境带来了挑战。通过催化将CO₂转化为高附加值化学品为解决这些问题提供了一个机会,并为燃料合成开辟了一条新的途径,最终有助于减少CO₂排放并实现碳中和。在众多的方法中,利用可再生清洁能源进行CO₂电还原反应(CO₂RR)以其反应条件温和、反应进度可控、环境友好以及可以产生大量的附加值产品而受到重视。在此背景下,咪唑鎓基材料及其衍生物已成为CO₂RR的有潜力的候选材料。这些材料对CO₂有很强的亲和力,并且在CO₂RR系统中作为电解质和电催化剂都有应用。所以它们的主要优点之一是能够在催化体系中富集CO₂,有效地抑制析氢副反应(HER),并提高CO₂RR产物的选择性。了解电催化条件下咪唑鎓基离子液体(Im-ILs)与CO₂分子之间的相互作用机制对于从分子角度深入了解为什么添加Im-ILs可以改善C...