Cu单原子与氧空位协同作用增强电催化CO_(2)还原中C_(2)液相产物活性

铜(Cu)因具有很好的CO结合能而被认为是目前可将CO_(2)电还原为乙酸、乙醇等多碳产物的重要催化材料.虽然Cu基催化剂表现出较好的还原活性,但产物的低选择性制约了其大规模商业化应用.因此,迫切需要开发高选择性、低成本的Cu基催化剂.研究表明,具有分散Cu-N活性位点的Cu基单原子催化剂是理想的CO_(2)电化学还原反应(CO_(2)RR)催化剂,但仍然存在着与反应关键中间体结合能较高的难题.当前研究多聚焦在诱导单原子的电子配位环境或催化剂的载体结构缺陷,关于二者之间的协同作用研究较少.本文通过简单的水热法与氢溢流策略制备了Cu单原子负载的高氧空位UIO66催化剂.X射线光电子能谱和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜结果表明,Cu物种以高度分散的单原子形式存在.采用X射线吸收精细结构谱和X射线光电子能谱(XPS)的N 1s能级研究了Cu原子的电子和配位结构,证明了Cu-N键的存在.此外,相较于未经过H_(2)二次处理的Cu SAs/UIO材料和未负载Cu单原子的UIO-H_(2)材料,Cu SAs/UIO-H_(2)样品在电子顺磁光谱中观察到更加明显的氧空位信号,XPS谱的O 1s能级、傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征结果均表明大量氧空位的存在,从而证明成功制备了Cu单原子负载的高氧空位UIO66催化剂(Cu SAs/UIO-H_(2)).反应测试结果表明,高氧空位掺杂UIO66耦合Cu-N位点后表现较好的CO_(2)RR性能,在-0.66 V(vs.RHE)的低电位下对于C_(2)液相产物实现了58.62%的法拉第效率,高于大多数已报道的Cu基催化剂结果.其中,乙醇的法拉第效率达46.28%,是UIO66-NH_(2),Cu SAs/UIO的9.61倍和2.78倍.经过12 h的稳定性测试后,乙醇仍然能够维持46%的法拉第效率,且反应后催化剂形貌和晶体结构几乎未发生改变,表明催化剂具有较高的稳定性和实际应用前景.为进一步分析反应机理,利用原位FTIR技术检测*CHO,*OCCHO和*CH_(3)CH_(2)O等重要反应中间体的形成,从而确定CO_(2)RR产乙醇的反应路径,并通过密度泛函理论分析了溶剂化效应的影响,验证了Cu单原子与大量氧空位协同作用下易于诱导关键中间体*HCCOH的生成,提出了大量氧空位的存在降低了CO_(2)RR产乙醇的反应能垒的理念,并分析计算CO_(2)RR产乙醇和产乙烯两条路径的能垒,讨论Cu SAs/UIO-H_(2)催化剂具有高乙醇选择性的原因.综上所述,Cu基单原子与氧空位协同是提高电催化剂CO_(2)RR活性的有效策略,具有良好的应用前景.本文为在原子尺度上设计高性能Cu单原子催化剂提供了一种新思路.

煤矸石土壤改良剂的研究与进展

鉴于当前土地资源不断削减、土地质量下降、污染日益严重等问题,利用土壤改良剂对土地进行改良成为研究的热点。目前使用的土壤改良剂原料多为天然或人工合成物质,成本较高,煤矸石等无机固废的开发较少,导致大量廉价原材料废置,且极易对环境造成污染。为充分利用盐碱地、荒漠化土地资源,在前期研究基础上,提出利用煤矸石作为原材料制备土壤改良剂,以期可以改善土壤理化性质,提高土壤微生物的种类和数量,加强土壤的保水、保肥性能,有利于植物生长发育,在增加可使用土地资源的同时,实现固体废物的再利用。目前的煤矸石改良剂主要存在含硫量高、养分缺乏、重金属污染等问题,在利用之前首先应明确煤矸石的理化性质,提高煤矸石与修复土壤的适配性,或添加粉煤灰、禽畜粪便等实现养分优势互补,同时防止煤矸石中的有害组分渗入土壤,实现煤矸石的资源化利用。

煤矸石制备机制砂的研究进展

目前我国砂石需求量巨大且需求还会持续增加,拓宽机制砂的原料来源、保障产品供应以满足用砂需求,显得越来越迫切。分析了不同原料制备机制砂的力学性能、颗粒级配、表观密度等性质,简述了机制砂典型制砂工艺流程,对比了湿式制砂和干式制砂这2种工艺的特点,介绍了常用机制砂的生产设备与性能,探讨了我国机制砂行业的产品标准和技术规范。并在此基础上,分析了煤矸石制备机制砂的可行性,煤矸石作为我国产生和排放量最大的工业固体废弃物之一,成分和性质与砂石原料相近,以煤矸石作为机制砂原料,不仅可以扩大机制砂的原料来源、增加机制砂产量,而且可以有效实现煤矸石的资源化利用。以煤矸石制备细集料代替传统机制砂配制的混凝土,具有抗压能力强的特点,可用作建筑材料、路段填充料以及桥路的修葺材料,应用前景广阔。但煤矸石机制砂存在成分相对复杂、碳质和硫分含量较高、多孔易吸水、细度模数不稳定、颗粒级配不合理等问题,有必要实施精准分级分质,减少或脱除碳质和硫分,使煤矸石的组分组成更加适应制砂要求;同时改进制砂工艺、充实制砂标准和规范,使煤矸石机制砂得到更为有效的推广和广泛应用。