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

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

以光为动力的纳米材料催化剂可能是发展氢能经济的关键

以光为动力的纳米材料催化剂可能是发展氢能经济的关键这项研究于11月24日发表在《科学》杂志上，由莱斯大学纳米光子学实验室、SyzygyPlasmonics公司和普林斯顿大学Andlinger能源与环境中心的一个团队进行。最近政府和工业界为创建无碳液态氨燃料的基础设施和市场而进行持续投资，它不会造成温室效应，这与这项研究有很好的协同作用。由于液氨易于运输，而且蕴含大量的能量，每个分子中有一个氮原子和三个氢原子，因此液氨是一种有希望的未来清洁燃料。新的催化剂将这些氨分子（NH3）分解成氢气（H2），一种清洁燃烧的燃料，和氮气（N2），地球大气中最大的组成部分。而且与传统的催化剂不同，它不需要加热。相反，它从光中获取能量，无论是太阳光还是节能的LED。化学反应的速度通常会随着温度的升高而增加，一个多世纪以来，化学品生产商已经通过在工业规模上应用热量来利用这一优势。燃烧化石燃料，将大型反应容器的温度提高数百或数千度，造成了巨大的碳足迹。化工生产商每年还在热催化剂上花费数十亿美元--这些材料不会发生反应，但在强烈的加热下会进一步加速反应。"像铁这样的过渡金属通常是可怜的热催化剂，"研究报告的共同作者、莱斯大学的NaomiHalas说。"这项工作表明它们可以成为高效的等离子体光催化剂。它还表明，光催化可以用廉价的LED光子源有效地进行。"用于测试铜铁等离子体光催化剂的光催化平台，用于从氨气中生产氢气。资料来源：布兰登-马丁/莱斯大学的照片最好的热催化剂是由铂和相关贵金属如钯、铑和钌制成的。Halas和Nordlander花了数年时间开发光激活的，或称质子的金属纳米粒子。其中最好的通常也是用银和金等贵金属制成。继他们在2011年发现了能放出被称为"热载流子"的短寿命高能电子的质子粒子之后，他们在2016年发现，热载流子发生器可以与催化粒子联姻，产生混合的"天线-反应器"，其中一部分从光中获取能量，另一部分则用能量来驱动具有超高精度的化学反应。Halas、Nordlander、他们的学生和合作者多年来一直致力于为天线反应器的能量收集和反应加速两部分寻找非贵金属替代品。这项新的研究是这项工作的一个高潮。在该研究中，Halas、Nordlander、莱斯大学校友HosseinRobatjazi、普林斯顿大学工程师和物理化学家EmilyCarter等人表明，由铜和铁制成的天线反应器颗粒在转化氨方面非常有效。颗粒中的铜、能量收集片从可见光中捕捉能量。休斯敦SyzygyPlasmonics公司的铜铁质子光催化剂测试中使用的反应池（左）和光催化平台（右），用于从氨生产氢气。催化作用的所有反应能量都来自LED，其产生的光的波长为470纳米。Halas研究小组的博士校友Robatjazi说："在没有光的情况下，铜-铁催化剂表现出比铜-钌催化剂低约300倍的反应性，鉴于钌是这种反应的更好的热催化剂，这并不奇怪。在充足照明下，铜-铁显示出与铜-钌相似的效率和反应能力，并与之相媲美。"Syzygy公司已经许可了莱斯大学的天线反应器技术，这项研究包括在该公司的商用LED驱动的反应器中对催化剂进行放大测试。在莱斯大学的实验室测试中，铜-铁催化剂被激光照射。Syzygy公司的测试表明，在LED照明下，催化剂保持了其效率，而且规模比实验室设置大500倍。这表明用LED的光催化作用可以从氨气中产生克级数量的氢气。为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。"鉴于它们在大幅减少化工行业碳排放方面的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"卡特补充说。"这些结果是一个很大的推动力。他们表明，其他丰富的金属组合有可能被用作广泛的化学反应的成本效益催化剂"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333849.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333849.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

突破性的催化剂将导致气候变化的敌人变成了有价值的资源

突破性的催化剂将导致气候变化的敌人变成了有价值的资源"缺陷调整强金属-支架相互作用"，这是设计具有出色效率和稳定性的二氧化碳还原纳米催化剂的独特方法。资料来源：RajeshBelgamwar先生和VivekPolshettiwar教授大量使用化石燃料来驱动工业过程和人类活动，导致了越来越多的人为二氧化碳排放到我们的大气中，超过了400ppm的水平。这种过高的大气二氧化碳浓度已经导致了我们星球的气候系统的一系列负面后果。然而，二氧化碳可以成为一种战略性的碳资源，用于合成有价值的化学品和燃料。已经有许多关于贵金属催化剂的报道，但由于其催化性能一般且成本高，其应用受到限制。在非贵金属催化剂家族中，铜基催化剂是用途最广的，在许多工业过程中具有良好的潜力。不幸的是，铜的低坦曼温度和由此产生的表面迁移导致纳米颗粒在反应过程中烧结，限制了其活性和长期稳定性。在这项工作中，孟买塔塔基础研究所（TIFR）的VivekPolshettiwar教授领导的研究小组提出了一个问题：如何利用强金属支撑作用（SMSI）和缺陷点合作性的概念来提高铜催化剂的催化活性和稳定性？他们报告了一种在氧化钛包覆的树枝状纳米二氧化硅（DFNS/TiO2-Cu）上负载活性铜位点的催化剂，用于CO2到CO的转化。DFNS/TiO2的纤维状形态和高表面积使得CuNPs活性位点可以更好地分散和高负载。这种催化剂对二氧化碳的还原显示出优异的催化性能，其CO生产率为5350mmolg-1h-1（即53506mmolgCu-1h-1），优于所有铜基热催化剂。值得注意的是，DFNS/TiO2-Cu10对一氧化碳显示出99.8%的选择性，并且至少在200小时内稳定。铜和TiO2之间的缺陷控制的强大的金属-载体相互作用使铜纳米颗粒牢牢地固定在载体的表面上，并赋予了出色的催化剂稳定性。EELS研究、原位漫反射红外傅里叶变换光谱、H2-温度编程还原、密度泛函理论计算和长期稳定性表明，铜位点和Ti3+位点之间存在强烈的相互作用，这确保了活性铜位点的良好稳定性和分散性。原位研究提供了对缺陷位点（Ti3+和O-空位）在调整SMSI中的作用的深入了解。原位时间分辨傅里叶变换红外线表明，CO2并没有直接解离形成CO，而原位拉曼和原位UV-DRS研究表明，将CO2气体引入反应室后，氧空位和Ti3+中心的强度逐渐降低，暴露在氢气中时，强度逐渐增加。这表明，在氢气的帮助下，二氧化碳转化为一氧化碳的过程遵循了氧化还原途径。DFNS/TiO2-Cu的优异催化性能和原位机理研究表明，缺陷在调整强金属-支撑物相互作用方面具有潜力。这种方法可能会导致使用各种活性位点和缺陷载体的催化系统的设计。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357339.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357339.htm

重塑太阳能电池板：新原型通过人工光合作用产生甲烷

重塑太阳能电池板：新原型通过人工光合作用产生甲烷最近，发表在《ACSEngineeringAu》上的研究人员复制了这一自然过程，利用二氧化碳（CO2）、水和阳光制造出高能燃料甲烷。他们的创新原型系统有助于为取代不可再生的化石燃料铺平道路。尽管甲烷是一种强效温室气体，但它也是一种高能量密度燃料，是天然气的主要成分。包括天然气在内的化石燃料需要数百万年才能形成，从环境中提取这些燃料会产生有害影响。找到利用可再生能源生产甲烷的方法，有助于随着时间的推移减少对不可再生化石燃料的需求。这种特化细胞阵列有助于利用人工光合作用生产更多可持续燃料。图片来源：改编自《ACSEngineeringAu》，2023，DOI:10.1021/acsengineeringau.3c00034太阳是每天为地球提供可持续、丰富能源的来源之一。人类曾尝试用太阳能电池板来利用这一资源，但植物已经掌握了这一方法，它们利用阳光进行光合作用，将二氧化碳和水转化为氧气和糖，然后用作燃料。此前，KazunariDomen及其同事开发了一种系统，利用阳光将水分成氢气和氧气。现在，他们希望对这一过程进行改进，以便更全面地模仿光合作用，吸收二氧化碳，将太阳的能量储存在甲烷中，同时仍然使用具有成本效益且易于扩展的材料。开发甲烷生产原型研究小组制作了一组类似太阳能电池板的反应池，每个反应池都涂有掺铝钛酸锶（SrTiO3）光催化剂，以帮助启动反应。将这些涂有催化剂的电池装满水，放在阳光下暴晒。在这种条件下，水分裂成氢气和氧气，并将其分离，净化后的氢气被送入系统的第二部分。在第二部分中，氢气与二氧化碳发生反应，生成甲烷和水，后者通过光反应器被循环回第一步。接下来，他们创建了一个130平方英尺的电池阵列，大小相当于一间小卧室，在各种天气条件下连续运行了三天。虽然前景看好，但研究小组认识到，在这些设备成为大规模发电的可行选择之前，人工光合作用系统的效率还需要提高。研究人员说，这种概念验证系统可用于生产塑料或其他化学原料的前体，也可扩大规模，生产更多的可持续生物燃料。参考文献："太阳光驱动的光催化水分离和二氧化碳甲烷化作为人工光合作用的一种手段生产甲烷"，作者：TaroYamada、HiroshiNishiyama、HirokiAkatsuka、ShinjiNishimae、YoshiroIshii、TakashiHisatomi和KazunariDomen，2023年9月25日，ACSEngineeringAu。DOI:10.1021/acsengineeringau.3c00034编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404421.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404421.htm