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

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

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

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

超耐久金催化剂有望为工业带来变革

超耐久金催化剂有望为工业带来变革每个人都喜欢黄金：运动员、海盗、银行家--每个人。从历史上看，黄金就是一种极具吸引力的金属，可以用来制作奖牌、珠宝、硬币等。黄金之所以如此闪亮诱人，是因为它的化学性质能够抵御其他材料可能褪色的物理条件，例如高温、高压、氧化和其他有害物质。然而，矛盾的是，在纳米尺度上，微小的金颗粒却逆转了这一趋势，变得非常活跃，以至于长期以来，它们一直是实现各种催化剂的关键，这些催化剂是加速或以某种方式使化学反应发生的中间物质。换句话说，它们是将一种物质转化为另一种物质的有用或必要物质，因此在合成和制造中得到广泛应用。硫醇和有机聚合物保护是增加金纳米粒子韧性的两种现有方法。右图是研究人员使用聚氧化金属盐的新方法。图片来源：©2024Suzukietal.增强型金催化剂背后的创新东京大学应用化学系副教授KosukeSuzuki说："金是一种神奇的金属，在社会上，尤其是在科学领域，受到人们的赞誉是理所当然的。金是催化剂的理想材料，可以帮助我们合成包括药物在内的各种物质。原因在于金对吸收分子的亲和力较低，而且对与之结合的物质具有高度选择性，因此可以非常精确地控制化学合成过程。与传统催化剂相比，金催化剂通常在较低的温度和压力下工作，需要的能源更少，对环境的影响也更小"。研究人员利用环形暗场扫描透射电子显微镜技术制作的新型纳米粒子的原子分辨率图像。图片来源：©2024Suzukietal.尽管金很好，但它也有一些缺点。金的颗粒越小，它的反应性就越强，而且在一定程度上，用金制造的催化剂会开始受到热、压力、腐蚀、氧化和其他条件的负面影响。铃木和他的团队认为他们可以改善这种情况，并设计出一种新型保护剂，可以让金催化剂在更大范围的物理条件下保持其有用功能，而这些物理条件通常会阻碍或破坏典型的金催化剂。"目前催化剂中使用的金纳米粒子具有一定程度的保护作用，这要归功于十二硫醇和有机聚合物等制剂。但我们的新技术是基于一种被称为聚氧化金属盐的金属氧化物簇，它的效果要好得多，尤其是在氧化应激方面，"Suzuki说。"我们目前正在研究聚氧化金属酸盐的新型结构和应用。这次我们将聚氧化金属酸盐应用于金纳米粒子，并确定聚氧化金属酸盐提高了纳米粒子的耐久性。真正的挑战在于应用各种分析技术来测试和验证这一切"。研究小组使用了多种统称为光谱学的技术。他们使用了不下六种光谱学方法，这些方法所揭示的有关物质及其行为的信息种类各不相同。但一般来说，它们的工作原理都是将某种光线投射到物质上，然后用专门的传感器测量光线如何发生某种变化。铃木和他的团队花了几个月的时间，对他们的实验材料进行了各种测试和不同的配置，直到他们找到了他们想要的东西。铃木说："我们的目标不仅仅是改进某些化学合成方法。我们的增强型金纳米粒子有很多应用，可以造福社会，分解污染的催化剂（许多汽油车已经配备了我们熟悉的催化转换器）、影响较小的杀虫剂、可再生能源的绿色化学、医疗干预措施、食源性病原体传感器，等等，不胜枚举。但我们还想走得更远。下一步的工作将是改进物理条件的范围，使金纳米粒子更能适应物理条件，同时研究如何为其他有用的催化金属（如钌、铑、铼，当然还有比金更受人们推崇的东西：铂）增加一些耐久性"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1416533.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1416533.htm

从水中提取清洁燃料 - 一种突破性的低成本催化剂被发明出来

从水中提取清洁燃料-一种突破性的低成本催化剂被发明出来由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）领导的一个多机构团队开发出了一种低成本催化剂，用于从水中产生清洁氢气的过程。其他贡献者包括能源部的桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室以及Giner公司。阿贡高级化学家Di-JiaLiu说："一种名为电解的工艺可以从水中产生氢气和氧气，这种工艺已经存在了一个多世纪。"他还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合职务。质子交换膜（PEM）电解器代表了这一过程的新一代技术。它们能在接近室温的条件下以更高的效率将水分离成氢和氧。能源需求的减少使其成为利用太阳能和风能等可再生但间歇性能源生产清洁氢气的理想选择。高级化学家Di-JiaLiu在管式炉内检查热处理后的催化剂样品，博士后ChenzhaoLi正在搬运用于催化剂合成的压力反应器。图片来源：阿贡国家实验室这种电解器的每个电极（阴极和阳极）都使用不同的催化剂。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。问题在于阳极催化剂使用的是铱，而铱目前的市场价格约为每盎司5000美元。铱的供应不足和高昂的成本成为PEM电解槽广泛应用的主要障碍。新催化剂的主要成分是钴，其价格比铱便宜得多。Liu说："我们试图在PEM电解槽中开发一种低成本阳极催化剂，这种催化剂能以高产能产生氢气，同时能耗极低。通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。Giner公司是一家致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司，该公司利用其PEM电解槽测试站在工业运行条件下对新型催化剂进行了评估。其性能和耐用性远远超过了竞争对手的催化剂。要进一步提高催化剂的性能，重要的是了解电解槽运行条件下原子尺度的反应机制。研究小组利用阿贡高级光子源(APS)的X射线分析，破解了催化剂在工作条件下发生的关键结构变化。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心（CNM）使用电子显微镜确定了催化剂的关键特征。APS和CNM都是能源部科学办公室的用户设施。阿贡材料科学家文建国说："我们对新催化剂在不同制备阶段的表面原子结构进行了成像。此外，伯克利实验室的计算建模揭示了催化剂在反应条件下的耐久性的重要见解。该团队的成就是能源部氢能源地球射击计划（HydrogenEnergyEarthshotinitiative）向前迈出的一步，该计划模仿了20世纪60年代美国太空计划的"月球射击"（MoonShot）。该计划的宏伟目标是在十年内将绿色氢气的生产成本降至每公斤一美元。以这样的成本生产绿色氢气可以重塑国家经济。其应用领域包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。Liu指出："更广泛地说，我们的研究成果为用成本更低、资源更丰富的元素取代昂贵的贵金属催化剂开辟了一条充满希望的道路"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372121.htm