镍铁基层状双氢氧化物析氧反应研究进展

近年来,能源危机、环境污染等问题导致了人们对开发高效清洁能源的迫切需求。氢气作为一种具备广泛应用前景的可替代能源,可通过电解水制备。然而,电解水制氢过程主要受制于阳极缓慢的析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)过程。镍铁基层状双氢氧化物(nickeliron layered double hydroxide,NiFe-LDH)由于其具备独特的层状结构、成本低廉、含量丰富且催化性能优异等特点,近年来被广泛研究。综述了通过晶格掺杂、空位缺陷和表面修饰对NiFeLDH化合物进行改性的最新研究进展,简要讨论了改性NiFe-LDH化合物研究过程中遇到的挑战和前景。

新型锌基层状双氢氧化物的原位合成及其机制

铝酸三钙(C3A)水化过程中可形成钙铝层状双氢氧化物(CaAl-layered double hydroxide,CaAl-LDH),利用该特性,将C3A投加至含锌溶液中,通过调节初始Zn2+浓度、反应时间及温度等条件原位即时合成了锌基层状双氢氧化物(ZnAl-LDH),并以XRD、FT-IR、SEM等手段对产物结构、形貌进行表征。结果表明,14mmol·L-1初始Zn2+浓度,2.5h反应时间和35℃反应温度为最佳的合成条件,此时产物ZnAl-LDH层间距为0.89nm,Zn2+负载量为13.73mmol·-1。本文结合合成过程中溶液组分的变化情况,初步探究了ZnAl-LDH原位即时形成机制,主要是C3A水化产物CaAl-LDH与Zn2+发生阳离子交换,以及自身溶解出的Al(OH)-4与Zn2+协同共沉淀。

Mg-M(Al,Fe)层状双氢氧化物光催化降解环丙沙星试验研究

采用共沉淀法制备镁基层状双氢氧化物(Mg-Al-LDHs和Mg-Fe-LDHs)光催化剂,所得到的Mg-Al-LDHs (白色)和Mg-Fe-LDHs (红褐色)颜色明显不同。通过X射线衍射仪和扫描电镜对催化剂进行了表征。以光催化降解典型抗生素环丙沙星为模型反应,在模拟太阳光照射下,Mg-Al-LDHs明显比Mg-Fe-LDHs催化活性高;在可见光照射下,Mg-Al-LDHs基本没有催化活性,Mg-Fe-LDHs有一定催化活性但较低。光学性质、吸附性能和荧光光谱测试结果表明,模拟太阳光照射下,影响光催化活性的因素为吸附性能;在可见光照射下,影响光催化活性的因素是催化剂光吸收范围。

层状双金属氢氧化物在尿素氧化反应中的电催化性能研究

为了实现高效率、低能耗、绿色产氢,通过溶剂热法在泡沫Ni基底上合成Ni、Fe层状双金属氢氧化物(NiFe-LDHs@NF)纳米片阵列作为自支撑电极。结构上,NiFe-LDHs纳米片阵列垂直生长在多孔泡沫Ni基底上,提供了定向电子传输通道,并避免了粘合剂加入对活性位点的掩蔽作用。同时,纳米片超薄的特性不仅提供了较大的比表面积,增强了表面原子的配位不饱和程度,产生更高的表面能和反应活性,而且还缩短了传质路径,有利于反应物的快速扩散和产物的及时脱附,提高催化反应的速率和效率。结果显示,NiFe-LDHs@NF表现出优异的尿素氧化反应(urea oxidation reaction,UOR)电催化性能,仅需1.46 V(vs.RHE)的电位,就可达到50 mA·cm^(-2)的大电流密度,相较于析氧反应而言,电位下降了140 mV,并在24 h内表现出稳健的稳定性。理论计算表明,NiFe-LDHs中Ni位点的Bader电荷为-1.25 e,说明Ni位点容易失去电子,形成具有高价态Ni^(3+)的NiOOH活性物种。Ni^(3+)对尿素的吸附性强,是UOR的真正活性位点,有利于UOR的迅速开展以及后续去质子化的稳定进行。此外,中间体在Ni^(3+)上发生*CONH_(2)N向*CONHN的转化过程为整个UOR的速决步,能量仅为2.48 eV,可见,UOR在NiFe-LDHs@NF上极易发生且反应迅速。本研究为层状双金属氢氧化物在尿素电氧化耦合制氢领域中的应用提供了新的思路。

铁基多相助催化剂光电化学水氧化研究进展

化石燃料的使用已经引起了严重的环境问题,例如空气污染和温室效应。同时,化石燃料作为不可再生能源无法一直满足人们不断的能源需求。因此,开发清洁可再生能源非常重要。氢是一种清洁无污染的可再生能源,可以缓解整个社会的能源压力。地球在一秒钟内接收到的太阳光能为1.7×10^(14) J,远远超过了人类一年的总能源消耗。因此,将太阳能转化为有价值的氢能对于减少对化石燃料的依赖具有重要的意义。自1972年藤岛昭和本多健一首次报道TiO_(2)光催化剂以来,人们发现半导体可以通过电或光驱动水分解产生清洁无污染的氢气。通过这种方式产氢不仅可以替代化石燃料,还可以提供环保的可再生氢能源,受到了人们的广泛关注。光电化学(PEC)水分解可以利用太阳能生产清洁、可持续的氢能。由于光阳极上的析氧反应(OER)缓慢,因此总的能量转换效率仍然很低,限制了PEC水分解的实际应用。助催化剂对于改善光电化学水分解性能是必要的。贵金属氧化物已被证明是最有效的OER催化剂,因为它们在酸性和碱性条件下具有很高的OER活性。然而,这些贵金属氧化物成本高和储量低,极大地限制了它们的实际应用。因此,开发高活性和低成本的OER助催化剂非常重要。迄今为止,对第一周期过渡金属(例如,Fe,Co,Ni和Mn)助催化剂的合成研究比较集中。其中,铁在地球上含量丰富,并且毒性比其他过渡金属低,使其成为良好的助催化剂。另外,铁基化合物具有半导体/金属的特性和独特的电子结构,可以改善材料的电导率和对水的吸附性能。目前,各种具有高催化活性的铁基催化剂已经被设计来提高光电化学的水氧化效率。本文简要概述了羟基氧化铁,铁基层状双氢氧化物和铁基钙钛矿等的结构、合成和应用方面的最新研究进展,并讨论了这些助催化剂在光电化学水氧化的性能。