Cu_(2)O@C复合纳米材料的光诱导合成制备及其光催化产氢性能

Cu_(2)O具有禁带窄、环境友好和储量丰富等优点,是一种理想的可见光催化剂,然而其光生载流子复合率高和稳定性差等问题限制了Cu_(2)O在光催化领域的实际应用。为此,本文采用光诱导原位技术,以甲醇为碳源、硫酸铜为铜源,一步成功制备了超薄炭壳层包覆的Cu_(2)O复合纳米材料(Cu_(2)O@C)。结果显示,与常规炭包覆方法相比,光诱导原位技术避免了苛刻的反应条件及繁琐的合成步骤对Cu_(2)O半导体结构的破坏,有效保留了Cu_(2)O本征电子结构,使其具有优异的光催化活性及稳定性。同时,Cu_(2)O@C的核壳结构不仅可以钝化半导体表面缺陷和促进光生载流子的分离,而且炭壳层的包覆还可以避免Cu_(2)O纳米颗粒与溶液的直接接触,有效抑制高活性反应中间体对催化剂结构的破坏。与单独的Cu_(2)O纳米颗粒相比,Cu_(2)O@C复合纳米材料在可见光下的光解水产氢活性和稳定性得到显著提高,产氢速率可达1.28 mmol/(g·h),且在连续五次循环稳定性测试中,氢气生成速率无明显变化。

有机液体储氢载体催化脱氢技术研究进展

绿氢(可再生能源制氢)的开发及利用是推动能源绿色转型和实现“双碳”目标的重点发展方向之一.然而,大规模绿氢的安全储运技术仍需进一步完善.以环烷烃/芳烃为主的有机液体储氢载体(LOHCs)体系因其高储氢密度、安全高效、运输方便等优势成为绿氢长距离大规模输送的关键技术.相比于工艺成熟的芳烃加氢技术,富氢LOHCs(环烷烃)脱氢技术开发的难度较大,是近年来研究的热点.本文系统综述了环己烷(CH)、甲基环己烷(MCH)、十氢萘(DHN)和全氢二苄基甲苯(H18-DBT)4类典型富氢LOHCs脱氢技术的研究进展.基于目前的研究结果,阐述了单环烷烃(CH、MCH)和多环烷烃(DHN、H18-DBT)的脱氢反应路径和机理,重点从活性组分和载体两方面总结了脱氢催化剂的设计思路、构效关系和研究进展,详细分析了基于不同模型的富氢LOHCs脱氢动力学,探讨了4类典型脱氢反应装置的优缺点.总体来讲,环烷烃作为LOHCs距离工业化应用还有一段距离,继续完善环烷烃脱氢动力学和脱氢机理、提高Pt系催化剂的催化活性和稳定性、开发具有实际应用意义的非贵金属催化剂以及优化反应器结构成为未来环烷烃脱氢技术研究需要聚焦的难点.

Pd催化剂表面物种对丙炔加氢性能的影响

采用H_(2)-TPR-MS-IR、CO脉冲吸附、He-TPD、H_(2)-TPR-MS、AFM-IR等方法研究了Pd催化剂的表面物种及Pd金属分散度,确定了Pd催化剂的表面物种状态,分析了Pd催化剂的表面物种与催化剂丙炔加氢性能的关系。实验结果表明,Pd催化剂表面存在碳物种和氮物种,碳物种和氮物种在800℃以上可被完全脱除。Pd催化剂表面存在的碳物种和氮物种更有利于Pd的分散,促使反应向预期的方向进行,阻碍丙烯的进一步加氢,从而有利于选择性丙炔加氢反应。

有序介孔炭负载Pt-MoO_(x)催化剂的制备及其催化甲基环己烷脱氢性能

以有序介孔炭(CMK-3)作为载体,采用原子层沉积技术制备出催化剂y Pt CMK-3及MoO_(x)助剂调控催化剂y Pt-z MoO_(x)CMK-3(y、z分别为Pt和MoO_(x)的沉积循环次数),研究了沉积循环次数对Pt金属分散度和催化剂甲基环己烷脱氢性能的影响。结果表明,适中的Pt分散度和适量原子级分散的MoO_(x)助剂能显著提升Pt基催化剂的性能。与10Pt CMK-3相比,10Pt-1MoO_(x)CMK-3催化剂上的脱氢速率(单位时间内单位质量Pt产生H_(2)的物质的量)从79.02 mol(g·h)提高至97.88 mol(g·h),甲基环己烷转化率由71%提高到91%。MoO_(x)助剂加入对Pt颗粒分散度影响较小,主要提高了Pt表面电子密度,降低了催化剂的起活温度。此外,MoO_(x)助剂还通过氢溢流促进H_(2)在催化剂表面的脱附,从而提高H_(2)产率。

碳九原料中甲乙苯脱氢制备甲基苯乙烯催化剂研究

本试验制备了Fe-K-Mo甲乙苯脱氢制备甲基苯乙烯催化剂,确定了:反应温度600~620℃,水烃比(质量比)2.5~3.0,液空速0.7~1.0 h^(-1)为优选甲乙苯脱氢催化剂的考察条件。研究了催化剂焙烧温度、铁源、钾铁比、助剂Mo对催化剂性能的影响,结果表明:催化剂在焙烧温度850℃、Fe(NO_(3))_(3)铁源、钾铁比0.25、助剂Mo等条件下具备较好的转化率和选择性;通过XRD、TPR等测试表征显示,K_(2)Fe_(22)O_(34)相是甲乙苯脱氢的主要活性组分;Mo助剂的加入在改善催化剂结构及促进活性等方面具有明显的效果,同时提高了Fe-K催化剂的热稳定性、抗氧化性。

Fe改性Pt/C催化剂催化混合硝基氯苯氨解产物加氢的研究

使用浸渍-还原法分别制备了3%Pd/C、3%Pt/C和3%Pt-Fe/C催化剂,通过ICP、TEM、XPS等方法对催化剂的金属含量、表面形态、电子状态进行了表征。将制备的催化剂用于以混合硝基氯苯氨解后产物邻、对硝基苯胺和间硝基氯苯为原料,催化加氢合成邻、对苯二胺和间氯苯胺反应。通过对比3种催化剂,得到3%Pt-Fe/C催化剂催化效果最好。以3%Pt-Fe/C为催化剂,考察了各因素对混合硝基氯苯氨解产物加氢反应的影响,确定了反应的最优条件:起始催化剂用量0.8%(以反应原料的质量分数计),m(甲醇)∶m(水)=50∶50为溶剂,温度85℃,压力2 MPa,搅拌转速600 r·min^(-1)。在此条件下,反应物转化率为100%,邻、对苯二胺和间氯苯胺的总收率可以达到99%以上,催化剂可重复使用19次。对新鲜和失活的Pt-Fe/C催化剂进行BET、CO化学吸附、TEM等表征,发现失活后催化剂的比表面积大幅下降,判定催化剂孔道堵塞是导致催化剂失活的主要原因。

Pt NPs增强ZnO@ZnS核-壳异质纳米棒光催化产氢性能研究

采用原位光沉积方法将铂纳米颗粒(Pt NPs)负载在核-壳异质纳米棒ZnO@ZnS表面,制备出ZnO@ZnS/Pt复合光催化剂。调控Pt NPs在ZnO@ZnS表面的负载量,探究了不同质量的Pt NPs对光催化产氢气性能的影响。结果表明,当贵金属Pt的负载量为2%(ZnO@ZnS/Pt-2)时,复合光催化产H_(2)性能最好,产氢速率为4.52 mmol/(g·h),是ZnO@ZnS的1.8倍,催化剂表现出优异的催化稳定性。在此复合材料中,贵金属Pt纳米颗粒作为助催化剂,Pt对H~+具有较低的吸附能,优先吸附H~+,光生电子转移到Pt纳米粒子表面,H^(+)在其表面得到光生电子,被还原为氢气,成功地抑制了光生电子和空穴的复合,有效地提升了催化剂的催化性能。

MIL-101(Cr)-NH_(2)负载Ag催化4-硝基苯酚加氢研究

通过水热法制备出MIL-101(Cr)-NH_(2),以MIL-101(Cr)-NH_(2)为载体采用浸渍还原法得到Ag/MIL-101(Cr)-NH_(2)催化剂。通过XRD、N_(2)-吸附脱附曲线和TEM手段对催化剂进行表征。研究了Ag/MIL-101(Cr)-NH_(2)催化4-硝基苯酚(4-NP)加氢生成4-氨基苯酚(4-AP)的性能。结果表明,3wt%Ag/MIL-101(Cr)-NH_(2)样品的催化加氢性能高于其它样品,仅用4 min可将4-NP催化加氢全部转化为4-AP。因此Ag/MIL-101(Cr)-NH_(2)催化剂具有较好的催化4-NP加氢性能。

钴基助催化剂在光催化产氢中的应用研究进展

通过光催化分解水产生的氢气可以用于驱动燃料电池或其他能源转换设备,这有助于减少对化石燃料的依赖,减少温室气体排放。但是实验发现,很多光催化剂存在可见光利用率低和光生电子-空穴易复合的问题。为了抑制光生电子-空穴的复合,提高光催化剂产氢效率,研究者们尝试了多种催化剂改性方式,加入助催化剂是其中最有效的方式之一。传统的贵金属助催化剂虽然有良好的效果,但是价格高,不利于大量生产应用。钴(Co)是一种廉价易得的过渡金属,作为助催化剂其效果有时可与铂(Pt)等贵金属相当。本文总结了不同Co基助催化剂,如Co的硫化物、氧化物、氢氧化物以及磷化物等助催化剂在光解水产氢方面的研究进展,希望对该领域的研究提供一些有价值的参考。

基于“科工整合”的“速率和平衡”大单元复习教学——以“催化加氢让二氧化碳‘变废为宝’”为例

工程思维是在“科学实践活动中凝练出科学思维”的基础上建立的一种可操作性的高阶思维。依据工程活动“设计与决策、研发、实施、实现”四个层次,以“利用工业废气中的CO_(2)为碳源催化加氢合成甲醇”为例展开五步教学,基于“科工整合”实施“速率和平衡”大单元复习,引导学生站在“全过程”的视域高度形成“利用化学反应规律调控化学反应”的新认识,构建“设计化学反应解决化工问题”的一般思路。

TiO_(2)@H^(+)/g⁃C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能及机理分析

本文研究了TiO_(2)含量对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)异质结光催化剂产氢性能的影响。首先将石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))用硫酸处理,得到酸洗氮化碳(H^(+)/g-C_(3)N_(4)),然后通过煅烧法在H^(+)/g-C_(3)N_(4)表面负载TiO_(2)得到TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料,利用透射电镜、X射线衍射仪、紫外-可见漫反射仪和比表面仪对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料进行了表征,研究了其在可见光下的光催化产氢性能,探讨了TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料光催化产氢机理。实验结果表明:1)煅烧法可以成功制备TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料,且TiO_(2)的负载显著地提升了H^(+)/g-C_(3)N_(4)的光催化产氢性能,这主要归功于TiO_(2)/g-C_(3)N_(4)异质结的形成降低了光生电子空穴的复合速率,加快了电子的转移速率;2)实验结果还表明TiO_(2)的负载量对TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能有很大影响,当TiO_(2)含量为25%时,所制备的25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料的光催化产氢性能最好,其光催化产氢速率为3.47 mmol·g^(−1)·h^(−1),是H^(+)/g-C_(3)N_(4)产氢速率的4.05倍,这主要归功于25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)大的比表面积和高的光吸收度;3)所制备的25-TiO_(2)@H^(+)/g-C_(3)N_(4)复合材料还表现出良好的稳定性。

多环芳烃双效耦合加氢催化剂制备及其加氢性能

多环芳烃加氢饱和既有利于环境保护,还能促进煤焦油的高效率利用。以煤焦油中(210~360)℃富含2-4环多环芳烃馏分为研究对象,采用加氢饱和催化剂与分子筛催化剂作为双效耦合催化剂,对不同反应条件下煤焦油催化加氢反应性能进行研究。结果表明,双效耦合催化剂具备分子筛催化剂与加氢饱和催化剂的催化特性,同时具备两者相互作用较小的稳态结构,且其在多环芳烃催化加氢反应中的活性介于分子筛催化剂和加氢饱和催化剂之间;活性金属组分Ni和Mo在催化剂表面分布稳定均匀。各操作条件对多环芳烃加氢性能存在不同程度的影响,双效耦合催化剂耦合比为4∶6时,多环芳烃催化加氢性能优于其他耦合比催化剂,在反应温度380℃、氢初压8.0 MPa、反应时间60 min和剂油比5∶100条件下,具有较好的加氢性能。馏分油多次选择性加氢后,饱和分量明显增加,胶质和芳香分量明显减少。

大型硫回收装置多功能CO变换加氢催化剂应用总结

普光气田是国内成功开发的首个高含硫气田,原料气(天然气)碳硫比高,再生酸性气CO_(2)含量高,会反应生成CO继而生成COS、CS_(2)等有机物,成为影响装置达标排放的关键因素之一。研究开发了具有CO变换功能的克劳斯尾气加氢催化剂,并成功应用于中国石化中原油田普光气田天然气净化厂200 kt/a硫回收装置。工业应用结果表明:加氢反应器过程气CO变换率超过90%,在线炉制氢天然气消耗量减少279 m^(3)/h,催化剂加氢转化率、有机硫水解率均超过99%,烟气SO_(2)排放浓度降至200 mg/m^(3)以下,CO排放浓度降低了90%,效益显著。

丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基1在恶性肿瘤中作用机制的研究进展

近年来,恶性肿瘤的发病率及病死率呈逐年上升趋势,发病年龄趋于年轻化,因而对恶性肿瘤的早期预防、诊断和治疗已成为肿瘤临床及基础研究的热点。有研究表明,即使在供氧充足的条件下,肿瘤细胞仍需要从内环境中摄取远高于正常细胞所需的葡萄糖以产生能量,却很少通过氧化磷酸化(OXPHOS)供能,这一现象称为Warburg效应。丙酮酸脱氢酶复合体(PDC)活性的调节是关键决定点,是糖代谢途径中糖酵解向三羧酸循环转变的关键酶,丙酮酸既可以被OXPHOS进入线粒体,又可以被代谢成乳酸。而丙酮酸脱氢酶磷酸酶(PDP)主要通过增强PDC的活性,导致丙酮酸进入线粒体的浓度增加,故其极具有成为肿瘤诊断标志物及治疗靶点的潜能。本文综述丙酮酸脱氢酶磷酸酶催化亚基1(PDP1)在恶性肿瘤中作用机制的研究进展。

低温加氢催化剂CT6-13在硫磺尾气处理系统的应用

中国石油四川石化有限责任公司硫磺回收装置采用加氢还原吸收工艺及专用加氢催化剂进行尾气处理。将低温加氢催化剂CT6-13与常规加氢催化剂CT6-5B从物性、装填方法及预硫化、技术性能等方面进行了对比。深入对比分析CT6-5B和CT6-13在尾气加氢反应器的应用情况,发现采用CT6-13催化剂,节能降耗效果明显,尾气排放满足总硫不大于50μL/L、SO_(2)排放浓度不大于100 mg/m^(3)的设计要求。配套高效脱硫剂CT8-26及烟气洗涤技术,可实现开工过程尾气达标排放及日常运行过程尾气SO_(2)排放浓度不大于5 mg/m^(3)的超低排放。在节能降耗的同时解决了开停工及异常工况下的绿色生产及制约硫磺回收装置尾气焚烧炉长周期运行瓶颈问题。

高黏附性Pd/SiO_(2)/NF整体式催化剂的制备及加氢性能研究

旋转填充床反应器(RPB)中液体的高速冲刷和较强的离心力容易导致整体式催化剂的涂层和活性组分从基体表面脱落造成损失,限制了整体式催化剂在RPB反应器中的应用。因此,研究整体式催化剂涂层和活性组分的黏附性,以提升催化剂在RPB反应器中的催化活性和使用寿命具有重要意义。基于此,采用超重力喷涂法在泡沫镍(NF)基体表面负载氧化硅(SiO_(2))涂层,制备了具有高黏附性的Pd/SiO_(2(x))/NF整体式催化剂,通过超声振荡、BET、XRD、SEM和XPS等对整体式催化剂进行测试和分析。当RPB反应器的转速为1200 r/min时,整体式催化剂具有优异的黏附性能,涂层的脱落率为4%。以对硝基苯甲醚(PNA)催化加氢制备对氨基苯甲醚(PA)为探针反应,RPB反应器中Pd/SiO_(2(1200))/NF整体式催化剂具有较好的催化活性,180 min时PNA转化率为98.9%。本工作可为开发高黏附性的整体式催化剂提供新的途径。

非贵金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)光催化分解水制氢的研究进展

光催化裂解水产氢是缓解能源危机和环境污染两大难题最有前景的技术之一。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))以其合适的带隙宽度、丰富的活性位点和成本低廉等优点,近年已成为极具有应用前景的光催化材料。然而,单一g-C_(3)N_(4)的可见光响应范围窄、电子-空穴复合严重、光催化产氢效率低等问题制约了其在光催化领域的应用。对g-C_(3)N_(4)进行形貌调控、表面改性、元素掺杂、构建异质结是改善其光催化性能的有效策略。介绍了目前金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)复合材料常见的制备方法,归纳了碱金属、过渡金属及稀土金属等非贵金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)基复合材料的光催化水解制氢相关研究进展,旨在为光催化分解水制氢方面提供参考。

Ni-MOF/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S合成及其光催化废水制氢研究

为了提升Zn_(0.5)Cd_(0.5)S的光催化产氢性能,采用水热法制备了Ni-MOF改性Zn_(0.5)Cd_(0.5)S复合光催化剂,通过XRD、SEM、TEM、XPS等分析方法对制备样品的结构及光电化学性能进行了表征,并研究了其光催化垃圾渗滤液混合页岩气返排废水制氢的可行性及动力学特征。结果表明,Zn_(0.5)Cd_(0.5)S主要呈现为纳米颗粒状结构,Ni-MOF主要由长约为10 μm、宽约为9 μm的超薄方形片构成,当Ni-MOF与Zn_(0.5)Cd_(0.5)S复合时,Zn_(0.5)Cd_(0.5)S纳米颗粒沉积在Ni-MOF方形片的表面,粒径显著降低,减少了Zn_(0.5)Cd_(0.5)S纳米颗粒的团聚,光吸收范围出现了蓝移,但仍然具有优异的可见光响应能力。质量分数为15%的Ni-MOF/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S在垃圾渗滤液混合页岩气返排废水中展现出最优的光催化产氢性能,模拟太阳光照射3 h产氢量达1887 μmol,产氢过程遵从零级反应动力学模型,产氢速率为685.9 μmol/h,约为Zn_(0.5)Cd_(0.5)S的5.7倍。

NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结构筑及高效光催化产氢

有机框架化合物因分子水平结构可控、大的比表面积、高孔隙率、分散的化学活性位点以及良好稳定性等优点,在光催化解水制氢方面具有较大的应用潜力。采用溶剂热法,在共价有机框架PyPD-COF的合成过程中引入金属有机框架NH_(2)-UiO-66,原位形成NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结。通过TEM、EDS、XPS、FTIR、UV-Vis和光电流测试分析,光催化性能测试等手段对样品进行表征,构筑的NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结不仅可以保留原始MOF及COF组分的优良特性,还可在异质界面形成键连,利于促进界面间电荷迁移,降低电子-空穴复合率,提升光催化产氢效率至20.68 mmol·h^(-1)·g^(-1),分别为原始NH_(2)-UiO-66和PyPD-COF的86倍和3倍。同时,界面处的共价键键连使得复合样品具有良好的制氢稳定性,这为构筑高效光催化分解水产氢异质结光催化剂提供了一种新的策略。

噻吩基二维共价有机框架中的拓扑结构诱导局部电荷极化促进光催化制氢

共价有机框架(COFs)是近年来新兴的一类多孔聚合物,在气体吸附、传感器、能源转换和光/电催化等领域表现出较大的应用潜力.然而,欲实现多样化的应用需求常需要对其结构进行合成后改性,这在单一步骤中难以实现.二维亚化学计量共价有机框架(2D-SSCOFs)因其独特的周期性官能团和保持结晶性及孔隙率的能力,成为COFs功能化的新途径.然而,已报道的2D-SSCOFs多具有相同的拓扑结构以及弱电荷极化等问题,限制了其应用潜力.因此,开发具有新颖拓扑结构的2D-SSCOFs对于实现更前沿的功能至关重要.窄带隙噻吩是有机半导体材料的常见单元,它们可以显著地调控共价聚合物骨架的电子和化学环境.本文通过5,5',5''-(苯-1,3,5-三基)三(噻吩-2-甲醛)(TT-3CHO)与4,4',4'',4''-(芘-1,3,6,8-四基)四苯胺(PY-4HN2)的席夫碱缩合反应合成具有大表面积和高结晶度的亚胺连接的新型2D-SSCOF(PTT-COF).噻吩环中2,5位之间的键的弯曲角度使得PTT-COF具有新型的2D亚化学计量拓扑结构,并呈现出非中心对称的优势极化结构.在使用有机空穴传输配体(二茂铁甲醛,FC)精确修饰和Pt作为助催化剂时,PTT-COF-FC体系在可见光照明下表现出较高的析氢产率(79.610 mmol g^(-1) h^(-1)).同时,在420 nm波长的光照下,2 mg的光催化剂表观量子效率达到1.72%.此外,经过24 h循环稳定性测试,PTT-COF-FC体系的活性没有明显下降.为了深入研究PTT-COF-FC体系的高效的产氢机制,通过X射线衍射、红外和固体碳谱等对PTT-COF-FC体系的组成和结构进行分析,确定了PTT-COF-FC的成功合成.通过瞬态吸收、变温荧光和理论计算等研究了材料的激子解离和载流子转移行为.结果表明,得益于独特的富含噻吩的结构设计以及有机空穴传输配体的修饰作用,PTT-COF-FC展现出高效的激子解离和丰富的自由电荷载流子特性.综上所述,本文设计和合成了一种新型PTT-COF光催化材料,其独特的二维亚化学计量拓扑结构和显著的局部电荷极化特性赋予了材料良好的光催化性能.实验和理论研究表明,PTT-COF中的非中心对称拓扑结构和噻吩单元的引入,有效扩展了π离域,进而诱导了局部极化并抑制了激子效应,从而大幅提高了光催化效率.此外,通过二茂铁甲醛的后修饰,结合这些独特的结构特性,PTT-COF在光催化析氢反应中表现出高活性和出色的长期耐久性.本文的研究不仅为设计和构建具有独特结构的新型2D-SSCOF提供新思路,也为构建具有丰富光催化功能的材料开辟了新途径.