新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3%

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷转化率高达99.3%DGIST的一个研究小组开发出一种先进的光催化剂，它能有效地将二氧化碳转化为甲烷，有可能为应对全球变暖提供一种可持续的解决方案。来自DGIST能源科学与工程系的InSoo-il教授及其团队成功开发出一种高效光催化剂。这项创新能够将导致气候变化的重要因素二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4），也就是通常所说的天然气。全球变暖导致世界各地气候异常，威胁着人类的生存。减少温室气体是解决日益令人担忧的全球变暖问题的关键，这需要将大气中的二氧化碳转化为其他物质。光催化技术是一种环保解决方案，它只需利用太阳能和水就能将二氧化碳转化为有用的物质，如天然气。生产出的天然气可在日常生活中用作供暖、制冷系统和车辆的燃料。光催化材料的改进研究小组将吸收可见光和红外线的硒化镉与二氧化钛（一种金属氧化物和著名的光催化材料）结合起来，高效地将二氧化碳转化为天然气。以前，人们曾将具有周期性晶格结构的结晶二氧化钛作为光催化材料进行分析。然而，由于颗粒的规则排列，钛的三价阳离子（Ti3+）的活性位点的形成受到了限制。为了克服这个问题，In教授的团队使用无定形二氧化钛改进了催化反应，因为无定形二氧化钛可以通过缺乏晶格结构周期性的不规则颗粒排列形成更多的Ti3+活性位点。除了催化作用得到改善外，电荷转移过程也很稳定，可确保有足够的电子参与反应。这有助于将二氧化碳转化为碳化合物，特别是甲烷燃料。此外，与需要高温再生的传统光催化剂不同，无定形催化剂在不加热的情况下向反应器供氧，可在一分钟内再生。高效率和未来研究方向研究小组新开发的无定形二氧化钛-硒化镉光催化剂（TiO2-CdSe）在光反应18小时后的前6小时内甲烷转化率仍高达99.3%，是具有相同成分的晶体光催化剂（C-TiO2-CdSe）的4.22倍。"这项研究的重要意义在于，我们开发出了一种具有再生活性位点的催化剂，并通过计算化学研究确定了利用非晶态催化剂将二氧化碳转化为甲烷的机理，"DGISTIn教授说。"我们将开展后续研究，以改善无定形光催化剂的能量损失，并提高其长期稳定性，从而实现该技术的未来商业化。"编译来源：ScitechDailyDOI:10.1016/j.apcatb.2024.124006...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434187.htm

环保新突破：单原子催化剂将二氧化碳转化为乙醇

环保新突破：单原子催化剂将二氧化碳转化为乙醇串联单原子电催化剂实现二氧化碳还原成乙醇。资料来源：DICP二氧化碳还原的挑战Cn（n≥2）液体产品因其高能量密度和易于储存而备受青睐。然而，由于对机理的理解有限，C-C偶联途径的操作仍是一项挑战。最近，由张涛教授和黄延强教授领导的研究小组在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校进行了一项突破性研究。中国科学院大连化学物理研究所的张涛和黄延强教授领导的研究小组开发了一种锡基串联电催化剂（SnS2@Sn1-O3G），在-0.9VRHE和17.8mA/cm2的几何电流密度条件下，该催化剂可重复生成乙醇，法拉第效率高达82.5%。这项研究最近发表在科学杂志《自然-能源》上。研究人员通过在三维碳泡沫上进行SnBr2和硫脲的溶热反应，制造出SnS2@Sn1-O3G。这种电催化剂由SnS2纳米片和原子分散的Sn原子（Sn1-O3G）组成。机理研究表明，这种Sn1-O3G可分别吸附*CHO和*CO(OH)中间体，从而通过一种前所未有的甲酰基-碳酸氢盐偶联途径促进C-C键的形成。此外，通过使用同位素标记的反应物，研究人员追踪了在Sn1-O3G催化剂上形成的最终C2产物中C原子的形成路径。分析表明，产物中的甲基C来自甲酸，而亚甲基C来自二氧化碳。黄教授说："我们的研究为乙醇合成中C-C键的形成提供了一个替代平台，并为操纵二氧化碳还原途径以获得所需的产品提供了一种策略。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398721.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398721.htm

新型光催化系统可将二氧化碳转化为有价值的燃料

新型光催化系统可将二氧化碳转化为有价值的燃料光合作用是植物和某些生物的叶绿体利用阳光、水和二氧化碳产生食物或能量的机制。过去几十年来，许多研究人员都在努力创造合成光合作用过程，目的是将二氧化碳转化为碳中性燃料。联合研究的负责人之一、城大化学系副教授叶如泉教授解释说："然而，二氧化碳很难在水中转化，因为许多光敏剂或催化剂会在水中降解。虽然人工光催化循环已被证明能以更高的内在效率运行，但其在水中还原二氧化碳的低选择性和低稳定性阻碍了它们的实际应用。"分层自组装光催化系统（左）模仿了一种名为"Rhodobactersphaeroides"的紫色细菌（右）的自然光合作用装置，在将二氧化碳转化为甲烷时实现了15%的太阳能转化为燃料的效率。资料来源：（左）叶如泉教授研究小组/香港城市大学；（右）《生物物理学报》，99:67-75，2010年在最新的研究中，来自城大、香港大学、江苏大学和中国科学院上海有机化学研究所的联合研究小组克服了这些困难，利用超分子组装方法创建了一个人工光合作用系统。它模仿了紫色细菌的光收集色素细胞（即含有色素的细胞）的结构，这种细胞能非常有效地从太阳光中传递能量。这种新型人工光合作用系统的核心是一种高度稳定的人工纳米胶束--一种能在水中自组装的聚合物，具有亲水端和惧水端。这种纳米胶束的亲水性头部可作为光敏剂吸收阳光，而疏水性尾部则可作为自组装的诱导剂。将纳米簇放入水中，由于水分子与簇尾之间的分子间氢键作用，纳米簇就会自组装。加入钴催化剂后，光催化制氢和还原二氧化碳，从而产生氢气和甲烷。香港城市大学化学系副教授叶如泉教授（前排中）及其研究团队。图片来源：香港城市大学研究小组利用先进的成像技术和超快光谱技术，揭示了创新光敏剂的原子特征。他们发现，纳米小分子亲水性头部的特殊结构，以及水分子与纳米小分子尾部之间的氢键作用，使其成为一种稳定的、与水相容的人工光敏剂，解决了人工光合作用传统的不稳定性和与水不相容的问题。光敏剂与钴催化剂之间的静电作用以及纳米簇的强光采集天线效应改善了光催化过程。在实验中，研究小组发现甲烷的生产率超过13000μmolh-1g-1，24小时的量子产率为5.6%。它还实现了15%的高效太阳能转化为燃料的效率，超过了自然光合作用。最重要的是，这种新型人工光催化系统不依赖昂贵的贵金属，具有经济可行性和可持续性。叶教授说："该系统的分层自组装提供了一种很有前景的自下而上的策略，即基于廉价、地球上丰富的元素，如锌和钴卟啉复合物，来创建一种精确控制的高性能人工光催化系统。"氢键增强纳米胶束的形成及其在太阳能下制氢和还原二氧化碳的过程。资料来源：叶如泉教授研究小组/香港城市大学叶如泉教授说，他相信这项最新发现将有利于并启发未来利用太阳能转化和还原二氧化碳的光催化系统的合理设计，为实现碳中和的目标作出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375391.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375391.htm

空气清洁技术的突破：新型催化剂可在室温下净化废气

空气清洁技术的突破：新型催化剂可在室温下净化废气埃米尔-亨森（EmielHensen）领导的科学家们在一篇新的《科学》文章中指出，通过改变催化剂的载体材料，即使在室温下，也能将有毒的一氧化碳几乎完全转化为二氧化碳气体。汽车催化剂是将铂、钯、铑等贵金属沉积在氧化铈（又称铈）材料的基底上制成的。然而，贵金属既稀有又昂贵。因此，世界各地的研究人员正在研究如何通过减少使用这些材料来达到相同甚至更好的催化活性。例如，德国电子科技大学的亨森研究小组在之前的一篇论文中证明，通过以单个原子的形式分散贵金属，不仅可以减少材料的使用，而且在某些条件下，催化剂还能更有效地发挥作用。在第一作者瓦列里-穆拉维夫（ValeryMuravev）的博士研究项目中，研究人员将注意力从贵金属转移到下面的载体材料（本例中为铈）上，以进一步改进催化剂。他们生产出不同晶体尺寸的铈，并在同一步骤中将贵金属沉积为单个原子。随后，他们研究了这些材料组合在一氧化碳中结合额外氧原子的能力。结果表明，在过量一氧化碳存在的冷启动条件下，4纳米大小的小铈晶体明显改善了贵金属钯的性能。这种性能的提高可以解释为在较小尺寸的铈晶体中氧原子的反应活性更高。在更常规的条件下，8纳米的铈晶体是在低于100摄氏度的温度下达到高催化活性所需的最佳尺寸。这项研究首次表明，在开发催化剂时，不仅要考虑必须发挥作用的贵金属。在这种情况下，改变作为活性材料载体的颗粒的大小，为进一步改进催化剂提供了一种有趣的新可能性，从而提高化学反应的效率和特异性。这对于开发将环境空气中的二氧化碳与绿色氢气结合起来生产燃料或生产可持续塑料的化合物的工艺也具有重要意义。现在，研究人员将与为汽车工业生产催化剂的英国公司庄信万丰（JohnsonMatthey）一起，进一步探索如何将这一发现转化为新产品。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381871.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381871.htm

新型太阳能催化剂可在捕捉甲烷后生成纯氢和碳

新型太阳能催化剂可在捕捉甲烷后生成纯氢和碳催化专家理查德-布莱尔（RichardBlair，左）和纳米技术专家劳伦-泰塔德（LaureneTetard）（均来自佛罗里达大学）联手发现了令人兴奋的光催化新技术图/中佛罗里达大学中佛罗里达大学纳米科学技术中心和佛罗里达太空研究所的研究人员表示，他们已经研制出一种富含硼的光催化剂，这种催化剂具有纳米级缺陷或结构不规则，可以将甲烷等碳氢化合物链拆分成无害成分。输入仅仅是太阳光（如果可能的话，进行浓缩）和含有碳氢化合物的空气。输出是纯氢（可用于各种能源目的）和纯碳（另一种可销售的商品，具有导热性和导电性，还可用作润滑剂等）。重要的是，该工艺不会产生二氧化碳或一氧化碳。这与利用甲烷和水生产氢气或合成气的典型工业流程形成了鲜明对比，后者会排放大量的二氧化碳或一氧化碳。加州大学弗吉尼亚分校催化专家理查德-布莱尔在一份新闻稿中说："这项发明实际上是一举两得。我们可以获得绿色氢气，还可以去除，而不是真正封存甲烷。将甲烷加工成氢和纯碳后可用于电池等用途。我们的工艺将甲烷这种温室气体转化为非温室气体和两种有价值的产品--氢和碳--我们已经从循环中去除甲烷。"研究小组认为，他们的工作可以大大降低能源生成催化剂的成本，扩大他们工作的可见光频率范围，并提高太阳能光催化的效率。它不仅可以在不需要水的情况下实现比绿色更环保的氢气的工业生产，还可以为直接捕捉大气中的甲烷提供一种商业上可行的方法。甲烷是农业、垃圾填埋场、废水处理设施和一些主要工业流程中不可避免的副产品。天然气生产商在钻探甲烷时，甲烷就会大量泄漏出来，并通过管道和配件输送到家庭和工业，在那里甲烷通常会被燃烧，产生更多的二氧化碳。人类驱动的气候变化已经开始导致大气中甲烷的显著飙升，这要归功于热带湿地的扩大（甲烷从湿地中分解释放出来），以及极地永久冻土的融化（永久冻土会截留大量甲烷）。如果这种光催化剂在商业规模上证明是可行的，那么太阳能驱动的甲烷捕集技术就有可能部署在大型甲烷排放点周围，同时产生多种收入来源，这无疑是一个令人兴奋的想法。布莱尔说："在我们出现之前，这种氮化硼一直被认为是惰性的。也许是用于润滑剂，也许是化妆品。但它没有任何化学用途。然而，通过缺陷工程，研究团队发现这种化合物在生产碳和绿色氢气方面具有巨大潜力，而且可能会大量生产。"该团队正在寻找许可和赞助研究的机会，以推进该技术的发展。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378423.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378423.htm

新催化剂可将废物转化为有价值的环保产品

新催化剂可将废物转化为有价值的环保产品这种新的催化剂旨在向脂肪族碳氢化合物添加官能团，脂肪族碳氢化合物是仅由氢和碳组成的有机化合物。这些碳氢化合物通常不与水混合，由于缺乏官能团而形成独立的层。通过在这些碳氢化合物链中加入官能团，可以大大改变材料的特性，使其更容易回收。"天然气中的甲烷是最简单的碳氢化合物，只有碳-氢（CH）键。油和聚合物有碳原子链，由碳-碳（CC）键连接，"Sadow解释说。脂肪族碳氢化合物构成了大量的石油和精炼石油产品，如塑料和机油。这些材料"没有其他功能团，这意味着它们不容易被生物降解，"Sadow说。"因此，长期以来，催化领域的一个目标是能够将这些种类的材料，添加其他原子，如氧气，或从这些简单的化学品中建立新的结构。"不幸的是，向碳氢化合物链添加原子的传统方法需要大量的能量投入。首先，石油被加热和加压"裂解"成小的构建块。接下来，这些构件被用来生长链。最后，在链的末端添加所需的原子。在这种新方法中，现有的脂肪族碳氢化合物无需裂解，在低温下就能直接转化。Sadow的团队之前使用一种催化剂来打破这些碳氢化合物链中的CC键，同时将铝连接到较小的链的末端。接下来，他们插入了氧或其他原子以引入功能团。为了开发一个互补的过程，该团队找到了一种避免CC键断裂步骤的方法。根据起始材料的链长和产品的理想特性，研究人员想缩短链或简单地添加氧功能团。如果能避免CC裂解，原则上可以只把链从催化剂转移到铝上，然后加入空气来安装官能团。Sadow解释说，这种催化剂是通过将一种市售的锆化合物附着在市售的二氧化硅-氧化铝上合成的。这些物质都是地球上丰富的、廉价的，这对未来潜在的商业应用是有利的。此外，催化剂和反应物在可持续性和成本方面也很有优势。铝是地球上最丰富的金属，所使用的铝反应物的合成不会产生废弃的副产品。基于氧化锆的催化剂前体在空气中是稳定的，容易获得，并在反应器中被激活。因此，与很多对空气极其敏感的早期有机金属化学不同，这种催化剂前体很容易处理。这种化学反应是朝着能够影响各种塑料的物理特性的方向迈出的一步，例如使它们更坚固和更容易着色Sadow把这个项目的成功归功于iCOUP的合作性质。埃姆斯国家实验室的佩拉斯小组利用核磁共振（NMR）光谱学研究了催化剂结构。康奈尔大学和阿贡国家实验室的Coates、LaPointe和Delferro小组研究了聚合物结构和物理特性。伊利诺伊大学的Peters小组对聚合物功能化进行了统计建模。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350043.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350043.htm