过渡金属硫化物相关电催化剂的设计与应用研究

自从国际社会提出“碳达峰、碳中和”目标以来,人们越来越意识到节约资源、保护环境、开发新能源的必要性.氢能(H_(2))作为最具竞争力的清洁能源之一,引起了研究人员的广泛关注.电化学全解水被认为是一种利用风能和太阳能产生氢气的有效技术,其主要由两个半反应组成:析氧反应(OER)和析氢反应(HER).然而,在实际工业化生产过程中阳极反应动力学OER慢,能量转换效率低,阴极反应稳定性差,导致经济效益不理想,因此,急需开发和探索耐久高效的电催化剂.过渡金属硫化物因具有独特的结构特征、丰富的活性位点和可调控的电子性质和组成,而被广泛用于电化学全解水制氢.本文综述了过渡金属硫化物的合成方法,一般包括:水热(溶剂热)法、电化学沉积法、液相剥离法、化学气相沉积法和球磨法,并概述了不同方法的基本概念、合成步骤以及优缺点.总结了近年用于电催化领域中典型单一硫化物(包括MoS_(2),WS_(2),Co3S_(4),Ni_(3)S_(2)等)材料的合成方法和机理,明确了S元素在整个电催化过程中的重要作用.针对单一硫化物稳定性差、活性位点少、电化学活性不高的缺点,详细总结了双金属、多金属以及单原子、双原子硫化物的催化机理和催化性能.当采用复合、引入缺陷、空缺和形态调节等手段修饰时,能够有效调控金属硫化物的电子结构,增加活性位点数量,优化反应中间体的吸附能,降低OER过程的能垒,从而使多金属硫化物具有优异的电化学性能.最后,通过一些典型的研究结果揭示了过渡金属硫化物在水分子分裂过程中的结构特性变化原理,特别是对于多金属硫化物,活性位点可以是金属阳离子,而其他金属的引入将在一定程度上改变活性中心附近的电子结构和配位环境,进而改善材料的催化性能.尽管过渡金属硫化物在电催化领域的应用研究取得了一系列进展,但仍存在诸多挑战,距实际应用仍有较大差距.需要综合考虑经济、高性能、稳定性和环境友好等因素进行过渡金属硫化物催化材料的设计、制备和性能调控,并为大规模应用提供基础.同时,深入探索电催化机理有利于设计高效电催化剂和推动电催化领域的持续发展.综上,本文为新型电催化材料的制备和电催化全解水机理的深入研究提供一定的参考.

In基二氧化碳氧化丙烷脱氢催化剂的研究

二氧化碳氧化丙烷脱氢增产丙烯是提高丙烷脱氢单程转化率与二氧化碳资源化利用的重要途经,探究高效的非贵金属环保型催化剂对工业界和科学界均有重要意义.采用不同合成方法制备了系列In基催化剂,通过X射线衍射、拉曼、紫外可见漫反射吸收光谱、H_(2)-程序升温还原、电镜图像观测了In活性位结构.关联活性数据得出,具有InO_(6)结构的In_(2)O_(3)颗粒在CO_(2)氧化丙烷脱氢气氛中能够发生氧化还原循环,从而驱动CO_(2)及丙烷分子的活化,而水热法合成样品中不含该InO_(6)结构,因此不具备CO_(2)活化能力.此外,十元环MFI型Silicalite-1沸石相比十二元环的Si-Beta沸石载体能够促进CO_(2)的吸附,也提高了CO_(2)对丙烷分子活化的促进作用.

Mo基、W基催化剂的制备及其丙烷脱氢性能研究

为探究Mo基、W基催化剂的丙烷脱氢性能,分别以ZSM-5分子筛和S-1分子筛为载体,通过浸渍法制备了5%负载量的Mo基、W基催化剂,并通过活性测试检测其催化活性,发现同为5%负载量下Mo基催化剂的活性要高于W基催化剂。以不同硅铝摩尔比的ZSM-5为载体制备1%Mo基催化剂,研究载体酸性对催化活性的影响。结果表明,随着硅铝摩尔比的逐渐增大,其B酸量降低,从而稳态下的转化率逐渐变小;与之相反,目标产物丙烯的选择性随着硅铝摩尔比逐渐增大而增大。