RSC主编推荐:能源领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“能源领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎在文末写评论发表您的高见!Energy & Environmental Science (IF: 29.518)1. Solar-driven simultaneous steam production and electricity generation from salinityEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE01804EThese results in this paper could provide a novel avenue for blue energy utilization, demonstrating the potential for solar desalination and electricity generation under natural sunlight simultaneously.华中科技大学的周军教授课题组报道了一种自然阳光照射条件下同时进行发电与海水淡化的方法,这为“蓝色能源”的利用开辟了新途径。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Impact of substrate diffusion and enzyme distribution in 3D-porous electrodes: a combined electrochemical and modelling study of a thermostable H2/O2 enzymatic fuel cellEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE01830DUsing redox enzymes as biocatalysts in fuel cells is an attractive strategy for sustainable energy production, however, despite recent improvements, these biodevices suffer from moderate power output and low stability. In this work, the authors demonstrate how substrate diffusion and enzyme distribution in the bioelectrodes control EFC performance.在燃料电池中使用氧化还原酶类为生物催化剂,是产生可持续性能源的有效策略。尽管这类生物器件的研究在近期有所进展,但也存在输出功率一般、稳定性差的问题。法国的研究者在这篇文章中解释了电极中的底物扩散以及酶分布如何影响酶催化燃料电池(EFC)的性能。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文Chemical Science (IF: 8.668)1. Mechanism and performance of lithium–oxygen batteries – a perspectiveChem. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7SC02519JScientists from Europe and India have come together to review lithium-oxygen rechargeable batteries. This perspective focuses on recent advances in understanding the chemistry of the Li-O2 cathode, and provides an outlook on key research needs. There is an emphasis on two main issues, discharge/charge mechanisms of Li2O2 and mechanisms of parasitic chemistry.来自奥地利、法国和印度的研究者合作对锂-氧可充电电池的研究进行了综述,着重介绍了锂-氧电池正极的最新研究进展,并对研究中仍需解决的关键问题进行了展望。其中有两个主要的问题需要引起重视,即Li2O2的充放电机理以及寄生反应的机理。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. On the performance of a photosystem II reaction centre-based photocellChem. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7SC02983GResearchers in the UK and Netherlands investigated the performance of a photovoltaic device with a photosynthetic reaction centre between electrodes. It was observed that coupling to well resolved vibrational modes lead to photo-currents with suppressed noise levels, but did not offer an advantage in terms of power output. This work provides an insight into the suitability of these photosynthetic complexes for molecular scale photovoltaics.英国和荷兰的研究者合作考察了一种电极间包含一个光合成中心的新型光伏器件的性能。他们发现与分辨良好的震动模式耦合可产生低噪音水平的光电流,但在功率输出方面却没有任何提升。这项工作有助于深入了解光合复合物在分子级光伏器件中的适用性。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文

来源: X-MOL 2017-08-31

南京邮电大学赖文勇教授Chem. Sci.:共轭多孔聚合物在电化学储能领域的新应用

电化学储能是人们应对能源、环保等一系列问题的重要解决方案。其中,超级电容器以其功率密度高、充放电时间短以及循环稳定性好等显著优势引起人们的广泛关注。设计开发新型的储能材料是获得高性能超级电容器的关键。近年来,共轭聚合物备受关注,在有机电致发光(OLED)、有机太阳能电池(OPV)、有机场效应晶体管(OFET)等领域得到了广泛的应用。然而,共轭聚合物作为活性材料在储能器件,如超级电容器等电化学储能领域的应用却鲜见报道。这主要是由于现有的共轭聚合物大多比电容较低、循环稳定性不高以及氧化还原可逆性较差等,使其作为超级电容器的电极材料受到很大的限制。针对此难题,南京邮电大学黄维院士(点击查看介绍)团队的赖文勇教授(点击查看介绍)课题组提出了超支化共轭微孔聚合物电极材料的设计思路,将富氮的三并咔唑单元引入超支化共轭聚合物结构中,研制了一类新结构体系的共轭微孔聚合物电极材料(TAT-CMP-1和TAT-CMP-2),实现了赝电容特性。构筑的超级电容器表现出优异的比电容行为和电化学循环稳定性,拓展了共轭聚合物在储能器件领域的应用。深入系统的研究发现,超支化的共轭微孔结构显著提高了该类材料的比表面积,增加了电荷与电极的接触;而且,由于富氮的三并咔唑单元具有大平面π共轭结构、高电化学稳定性和空穴传输特性,使所制得的共轭微孔聚合物材料克服了传统共轭聚合物低循环稳定性和较差的氧化还原可逆性的弱点。其中TAT-CMP-2作为电极材料在电流密度为1 A•g-1时实现了比电容183 F•g-1,储能器件性能高于传统的多孔碳材料超级电容器。更重要的是,该类材料还表现出很好的循环稳定性,在较高的电流密度10 A•g-1下,循环10000次,比电容也仅衰减5%。该研究率先发展了化学掺杂的方法构筑共轭微孔聚合物,实现了高效、稳定的电化学储能,为设计开发新型高性能的电化学储能材料提供了新的思路,拓展了共轭聚合物在储能器件领域的应用,具有重要的启示意义。相关结果发表在Chemical Science 上。该工作由南京邮电大学黄维院士团队的赖文勇教授课题组与扬州大学的庞欢教授课题组合作完成,第一作者为博士生李祥春。该工作得到了国家重点基础研究计划青年科学家专题项目(青年973,2014CB648300)、国家基金委优秀青年基金(21422402)、江苏特聘教授(RK030STP15001)等项目的资助和支持。南京邮电大学黄维院士团队的赖文勇教授课题组近年来致力于有机电子、柔性电子等方向的研究,取得了一系列的进展和关注(Adv. Mater., 2016, 28, 5242; Adv. Mater., 2015, 27, 3349; Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 5181; Chem. Sci., 2017, 8, 2959; Nano Energy, 2017, 35, 138; Nano Energy, 2015, 17, 339; Nano Energy, 2015, 15, 303; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 4617; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 2460; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10493; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13754; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 4840; Nanoscale, 2016, 8, 11689; Nanoscale, 2015, 7, 16012)。该论文作者为:Xiang-Chun Li, Yizhou Zhang, Chun-Yu Wang, Yi Wan, Wen-Yong Lai, Huan Pang and Wei Huang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Redox-Active Triazatruxene-based Conjugated Microporous Polymers for High-Performance SupercapacitorsChemical Science, 2017, 8, 2959-2965, DOI: 10.1039/C6SC05532J导师介绍黄维http://www.x-mol.com/university/faculty/35089赖文勇http://www.x-mol.com/university/faculty/26708

来源: X-MOL 2017-08-23

RSC主编推荐:能源领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“能源领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎在文末写评论发表您的高见!Energy & Environmental Science (IF: 29.518)1. Highly efficient halogen-free solvent processed small-molecule organic solar cells enabled by material design and device engineeringEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE00805HSmall molecule donor materials have emerged as promising candidates for organic solar cells (OSCs) due to their simple synthesis, well-defined molecular structures, high reproducibility, easy purification and high crystallinity. The reported efficient small molecule solar cells (SM-OSCs) commonly suffer from limitations of large energy loss (Eloss) and low charge carrier mobilities. Here, the authors develop and provide an interesting strategy via tactical material design and device engineering for developing high-performance SM-OSCs.基于具有诸多优势,比如简单的合成方法、明确的分子结构、良好的可重复性、便捷的纯化过程和高结晶度,小分子给体材料在有机太阳能电池(OSC)中很有应用前景。之前报道的高效率小分子太阳能电池(SM-OSC)通常会受到高能量损失(Eloss)和低电荷载流子迁移率的限制。在本文中,四川大学彭强教授团队通过细致的材料设计和器件工程成功发展了一种开发高性能SM-OSC的有效策略。本文入选“2017 Energy and Environmental Science HOT articles”。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Ammonia Synthesis from N2 and H2O using a Lithium Cycling Electrification Strategy at Atmospheric Pressure Energy Environ. Sci., 2017, Accepted ManuscriptDOI: 10.1039/C7EE01126AHot, fresh, novel strategy for the synthesis of ammonia using uses N2 and H2O at atmospheric pressure, as a potential alternative to the Haber process! The three steps of the demonstrated electrochemical lithium cycling process are LiOH electrolysis, direct nitridation of Li, and the exothermic release of ammonia from Li3N, which reproduces the LiOH, completing the cycle.这篇新鲜出炉的论文报道了一种新颖的电化学锂循环策略,在常压下实现了由氮气和水合成氨。反应过程包括LiOH电解、Li的直接氮化、由Li3N放热释放氨并再生LiOH三个步骤并可循环进行,有望取代著名的哈伯法!本文入选“2017 Energy and Environmental Science HOT articles”。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文Chemical Science (IF: 8.668)1. Hybrid photocathode consisting of a CuGaO2 p-type semiconductor and a Ru(II)–Re(I) supramolecular photocatalyst: non-biased visible-light-driven CO2 reduction with water oxidation Chem. Sci., 2017, 8, 4242-4249DOI: 10.1039/C7SC00940BResearchers in Japan have developed a new hybrid photocathode consisting of a CuGaO2 p-type semiconductor and a Ru(II)-Re(I) supramolecular photocatalyst. The photocathode displayed photoelectrochemical activity for the conversion of CO2 to CO. A photoelectrochemical cell encompassing this photocathode and a CoOx/TaON photoanode allowed the visible-light-driven catalytic reduction of CO2 using water as a reductant.日本东京工业大学和京都大学的研究人员开发了一种由 CuGaO2 p型半导体和Ru(II)-Re(I)超分子光催化剂组成的新型复合光阴极材料,这种光阴极可以实现CO2到CO的光电化学转化。包含该光阴极和CoOx/TaON光阳极的光电化学电池能在可见光的照射下利用水来实现CO2的催化还原。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Enhancing the Reactivity of Nickel(II) in Hydrogen Evolution Reactions (HER) by β-Hydrogenation of Porphyrinoid LigandsChem. Sci., 2017, Accepted ManuscriptDOI: 10.1039/C7SC02073BScientists in Beijing report for the first time that ß-hydrogenation of porphyrin enhances electrocatalytic HER reactivity using nickel porphyrinoids. DFT calculations suggest that ß-hydrogenation renders more electron density localized on the Ni centre and hence, generates a highly reactive Ni hydride intermediate. The findings have the potential for the further design of metal molecular catalysts. 北京大学张俊龙、王炳武、郑捷等科研人员首次报道了利用异卟啉镍络合物进行卟啉的β-氢化过程来增强电催化析氢反应(HER)的活性。密度泛函理论计算表明,β-氢化使镍中心的定域电子密度升高,因而产生高反应活性的氢化镍中间体。这一发现有望用于进一步设计金属分子催化剂。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文

来源: X-MOL 2017-07-06

全球数十位科学家警告:遏制二氧化碳排放只剩三年时间

图片来源于网络英国《自然》杂志日前发表评论文章称,全球60多位著名科学家、商业领袖、政策领导人等警告说,我们只有3年时间可以扭转全球二氧化碳排放形势。7月7日至8日即将在汉堡召开的G20峰会前夕,科学家们为扭转全球碳排放形势提出6个里程碑,“以免为时已晚”。评论文章作者认为,虽然面临一定阻力,如美国总统特朗普宣布美国将退出巴黎气候协定,但是全球已经蓄力待发,向低碳经济转变是不可避免的。全球因燃烧化石燃料而排放的二氧化碳在经历了几十年的增长后,在过去的3年里稳定了下来,这是一个良好的迹象,表明为缓解气候变化所制定的政策、所做的投资正在取得成效。但是,我们还要加快步伐。“事关气候变化,时间就是一切。”文章联署者们写道,如果二氧化碳排放量每年持续增长,至2020年以后,即使保持持平,巴黎协定设定的温度控制目标也几乎是无法实现的。联合国气候变化框架公约前负责人克里斯蒂安娜·菲格雷斯及其他共同作者,此次提出了2020年的减排里程碑,共涉及6个板块——能源、基础设施、交通运输、土地使用、产业和金融,这些领域有望在减排方面快速取得重大突破。他们呼吁参加G20峰会的各国领导人,将2020年作为大力推进气候变化工作的关键年,并支持金融机构制定完全去碳化的策略。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-06/29/content_372546.htm?div=-1 http://www.nature.com/news/three-years-to-safeguard-our-climate-1.22201

来源: X-MOL 2017-06-29

Bruce H. Lipshutz教授和他的绿色化学

数百年来,人们对化学反应的研究越发深入与透彻,化学在工业上的应用也越发广泛与普遍,小到日常饮食,大到火箭上天,化学无时无刻不在发挥重要作用。但是,化学工业在满足人类日益增长需求的同时,客观上也带来了负面的影响,比如不少不负责任企业乱排乱放,严重污染环境,深受其害的普通民众往往将“化学”与“污染”画上了等号。另外,相当一部分的化学反应需要极其苛刻的反应条件,如高温、高压、昂贵的催化剂、惰性气体保护等,这些操作条件也常常让广大的化学工作者焦头烂额。认识到这些问题,化学家们开始寻求更加环境友好的方法设计化学反应,用他们不懈的努力,减少化学反应带来的附加环境危害,改变人们对化学的认识,让化学变的更加“绿色”,堪称化学界的一股清流。美国加州大学圣芭芭拉分校(UC Santa Barbara)的Bruce H. Lipshutz教授(点击查看介绍)就是其中贡献突出的一位。他致力于绿色化学研究数十年,迄今已发表论文三百多篇,并与2011年获得“美国总统绿色化学挑战奖”。下面笔者为大家简单介绍一下他的工作。Lipshutz教授(中)获2011年 “美国总统绿色化学挑战奖”。图片来源:UC Santa Barbara有机化学带来的环境污染中超过70%来源于有机溶剂,如何消除化学污染,减少有机溶剂的使用是重中之重。Bruce H. Lipshutz教授的工作重点就是开发水相体系的反应代替有机溶剂。与有机溶剂相比,水具有一些独特的理化性质,如高内聚能密度、氢键作用、极性效应等优点,使用水作为溶剂发展有机反应往往带来特殊的反应活性和选择性。然而反应底物、试剂、添加剂、催化剂等在水相中溶解度很低,不利于反应有效进行。水介质中有机反应的研究主要集中在提高底物和催化剂的水溶性以及在水相中的稳定性。为了反应顺利进行,Bruce H. Lipshutz教授向水相中加入了非离子型两亲分子,即表面活性剂。表面活性剂通常由疏水的有机部分与亲水的离子部分组成,从而得到两亲体,用来解决部分有机物或聚合物在水溶液中溶解度差的问题。这些分子在水相中可以自组装形成纳米胶束,临界胶束浓度可低至10-4 M(图1),形成的胶束溶液可充当反应溶剂,反应物的分子可分散进入胶束内发生反应,解决了有机分子在水相中溶解性差的问题,从而使反应得以顺利进行。图1. 水中纳米胶束的形成。图片来源:Lipshutz教授课题组网站Bruce H. Lipshutz教授设计开发了新型的绿色表面活性剂(第一代表面活性剂PTS、第二代表面活性剂TPGS-750-M),目前他已将TPGS-750-M成功应用于多种过渡金属参与的有机化学反应中,如Heck偶联、Negishi偶联、Sonogashira偶联、C-H活化、Suzuki-Miyaura偶联等反应中(图2)。图2. 新型绿色表面活性剂的开发及应用。图片来源:Lipshutz教授课题组网站Bruce H. Lipshutz教授课题组目前着重开展水相中以下五类反应:1. 有机铜化学;2. 胺化反应;3. Stille偶联;4. 相关氧化及还原反应;5. 串联反应。这些反应均可以在室温下进行,条件温和,高效且环境友好。此外,Bruce H. Lipshutz教授还对第三代表面活性剂(Nok)的开发充满着期待,他设想使用廉价的sitostrol充当憎水基团(图3),进而开展更为广泛的表面活性剂辅助的水相有机化学反应。图3. 第三代表面活性剂Nok的结构。图片来源:Lipshutz教授课题组网站Bruce H. Lipshutz教授长期从事绿色化学的研究,以规避使用有机溶剂为目标,开发了一系列以水为溶剂的反应体系,实现了多种类型的有机化学反应。一些传统需要无水无氧条件下发生的反应在Bruce H. Lipshutz教授发展的水相体系中亦可发生反应,Bruce H. Lipshutz教授的工作一定程度上解决了有机化学对环境造成的污染问题,我们期待Bruce H. Lipshutz教授发展的水相体系反应能够早日实现工业化生产,从而大力推进环境友好的绿色化学,做到真正造福于人类。Bruce H. Lipshutzhttp://www.x-mol.com/university/faculty/491课题组主页http://www.chem.ucsb.edu/lipshutzgroup/home(本文由Chem-Stone供稿)

来源: X-MOL 2017-06-17

RSC主编推荐:能源领域精彩文章快览(免费阅读原文)

英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“能源领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎在文末写评论发表您的高见!Energy & Environmental Science (IF: 25.427)1. Impact of microstructure on the electron–hole interaction in lead halide perovskitesEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE00685CDespite the remarkable progress in the performance of devices based on the lead halide perovskite semiconductor family, there is still a lack of consensus on their fundamental photophysical properties. Here, using magneto-optical transmission spectroscopy the authors elucidate the impact of the microstructure on the Coulomb interaction between photo-created electron–hole pairs in methylammonium lead triiodide (MAPbI3) and the triple-cation lead mixed-halide composition. This renewed understanding of the relationship between these fundamental electronic properties and the microstructure is critical for future fundamental studies and improving device design.尽管基于卤化铅钙钛矿半导体材料的器件在性能方面取得了显著的进步,但人们对它们的基本光物理性质仍然缺乏统一的认识。在这篇论文中,作者通过磁光透射光谱阐明了微结构对甲胺铅碘(MAPbI3)和三元阳离子铅混合卤化物(Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3)中的光致电子-空穴对之间库仑相互作用的影响。这一成果是对基本电子性质与微结构之间关系的重新认识,对将来的基础研究和器件设计改进都至关重要。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Energetic productivity dynamics of global super-giant oilfieldsEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE01031AUsing an engineering-based life cycle assessment (LCA) approach, the authors analyze decades-long historical trends of upstream oil production energy return on investment (EROI) for twenty-five globally significant oil fields (>1 billion barrels recoverable). The net energy ratio (NER) and external energy ratio (EER) are used as two measures of oil field energetic productivity. They find that as depletion causes declines in oil output, the associated energy returns decline significantly, with some fields seeing NER declines exceeding 90%. These results have implications for long-run climate/energy system modeling due to potential large increases in extraction energy as global oilfields age.通过以工程学为基础的生命周期评估(LCA)手段,美国斯坦福大学的研究人员分析了全球25个超大型油田(可采油量 > 10亿桶)原油生产的能源投资回报率(EROI)在数十年中的历史趋势。净能源比(NER)和外部能源比(EER)被用作衡量油田能源产出的两个指标。研究发现,由于资源枯竭而导致石油产量下降,相关的能源投资回报率大幅下降,一些油田的NER下降超过90%。随着全球油田开采时间的增加,采油作业的能耗也可能会大幅增加,这些结果在对气候/能源体系进行长期建模时具有一定意义。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文3. A technoeconomic analysis of perovskite solar module manufacturing with low-cost materials and techniques Energy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE00757DWith high material utilization, easy manufacturing processes, and high power conversion efficiencies >20%, many experts anticipate that perovskite solar cells (PSCs) will be one of the cheapest PV technologies in the future. The limitations are discussed in comparing calculated MSPs to actual market prices, determine the effect of module lifetime, examine the effects of alternative materials and constructions, and indicate avenues to further reduce the MSP and LCOE values.钙钛矿太阳能电池(PSCs)具有材料利用率高、制造工艺简单、能量转换效率高(> 20%)等特点,许多专家都预测PSCs将在未来成为成本最低的光伏技术之一。本文探讨了将计算出的最低可持续价格(MSP)与实际市场价格进行比较后得出的限制因素,确定了模块使用寿命的影响,研究了替代材料和组件的作用,并指出进一步降低MSP和平准化能源成本(LCOE)的途径。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文Chemical Science (IF: 9.144)1. Design of template-stabilized active and earth-abundant oxygen evolution catalysts in acidChem. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7SC01239JResearchers at Harvard University have designed earth-abundant oxygen evolution reaction (OER) catalysts that are stable and active in acid. Catalysts were iteratively designed by treating activity and stability as decoupled elements of mixed metal oxide films. The resulting catalysts maintained OER activity at pH 2.5 whilst exhibiting long-term acid stability at higher current densities.哈佛大学 Daniel G. Nocera 课题组的研究人员设计出了一种析氧反应(OER)催化剂,该催化剂基于地壳含量丰富的元素,在酸性条件下也可以保持稳定和催化活性。这种催化剂的设计思路中,活性和稳定性作为相互独立的考量因素,用于复合金属氧化物薄膜的不断改良。所得的催化剂在pH值为2.5的条件下仍能保持OER催化活性,同时在较高的电流密度下可表现出长时间的酸稳定性。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Sub-1.1 nm ultrathin porous CoP nanosheets with dominant reactive {200} facets: a high mass activity and efficient electrocatalyst for the hydrogen evolution reactionChem. Sci., 2017, 8, 2769-2775DOI: 10.1039/C6SC05687CScientists in Tianjin have synthesized porous ultrathin nanosheets that displayed excellent electrochemical HER performance. This was achieved via a robust and efficient chemical transformation strategy of Co3O4  precursors, to produce CoP nanosheets with sub-1.1 nm thickness and a high proportion of exposed facets. This strategy can be used to synthesize other metal selenide and sulfide ultrathin porous nanosheets. 天津大学理学院的张兵教授及其团队合成的一种具有优异电化学析氢(HER)性能的超薄多孔纳米片。他们以Co3O4 为前体,通过一种稳健、高效的化学转化手段,制得了厚度低于1.1 nm并具有高暴露表面比例的CoP纳米片。这种策略也可用于合成其他的金属硒化物和硫化物的超薄多孔纳米片。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文

来源: X-MOL 2017-06-08

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英国皇家化学会(RSC)是一个拥有175年历史的面向全球化学家的非营利会员制机构,旗下拥有43种期刊,其中很多在化学领域有很高影响力。为了进一步帮助广大读者追踪科技前沿热点,X-MOL团队与英国皇家化学会合作,推出英国皇家化学会期刊主编推荐的精彩文章快览,本期文章属“能源领域”,英文点评来自英国皇家化学会期刊的主编。如果大家对我们的解读有更多的补充和点评,欢迎在文末写评论发表您的高见!Energy & Environmental Science (IF: 25.43 )1. Efficient Catalytic Greenhouse Gas-Free Hydrogen and Aldehyde Formation from Aqueous Alcohol SolutionsEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C6EE03739AHydrogen is an ideal fuel candidate due to its clean combustion characteristics. Here the authors report an inexpensive and sustainable Mo-based, carbon-supported catalyst that generates H2 and the corresponding aldehyde from aqueous methanol or ethanol at high rates with negligible greenhouse gas co-production. The aldehyde coproducts lend value to this process without producing CO2.由于其清洁燃烧特性,氢气被认为是理想燃料的候选。本文作者报道了一种低成本且可持续的碳负载的钼基催化剂,这种催化剂能以高速率从甲醇或乙醇的水溶液出发催化产生氢气和相对应的醛,并且几乎无温室气体产生。共产物醛使得这一不产生CO2的反应极具价值。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. In vivo activation of an [FeFe] hydrogenase using synthetic cofactorsEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE00135E[FeFe] hydrogenases catalyze the reduction of protons, and oxidation of hydrogen gas, with remarkable efficiency. The reaction occurs at the H-cluster, which contains an organometallic [2Fe] subsite. The unique nature of the [2Fe] subsite makes it dependent on a specific set of maturation enzymes for its biosynthesis and incorporation into the apo-enzyme. The authors report on how this can be circumvented, and the apo-enzyme activated in vivo by synthetic active site analogues taken up by the living cell.[FeFe]氢化酶能以很高的效率催化质子还原和氢气氧化。反应发生在含有有机金属[2Fe]亚位点的氢簇上。[2Fe]亚位点的独特性质使得其在生物合成和结合酶蛋白的过程中依赖于特定的成熟酶。本文作者报道了如何避免这种情况,他们采用的是合成的活性位点类似物,当其被活细胞摄取后,酶蛋白在体内被成功激活。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文3. Compatibility issues between electrodes and electrolytes in solid-state batteriesEnergy Environ. Sci., 2017, Advance ArticleDOI: 10.1039/C7EE00534BRemarkable success has been achieved in the discovery of ceramic alkali superionic conductors as electrolytes in solid-state batteries; however, obtaining a stable interface between these electrolytes and electrodes is difficult. Only limited studies on the compatibility between electrodes and solid electrolytes have been reported, partially because of the need for expensive instrumentation and special cell designs. Without simple yet powerful tools, these compatibility issues cannot be systematically investigated, thus hindering the generalization of design rules for the integration of solid-state battery components.The authors present a methodology that combines density functional theory calculations and simple experimental techniques such as X-ray diffraction, simultaneous differential scanning calorimetry and thermal gravimetric analysis, and electrochemistry to efficiently screen the compatibility of numerous electrode /electrolyte pairs. They systemically distinguish between the electrochemical stability of the solid-state conductor, which is relevant wherever the electrolyte contacts an electron pathway, and the electrochemical stability of the electrode/electrolyte interfaces. For the solid electrolyte, the authors are able to computationally derive an absolute thermodynamic stability voltage window, which is small for Na3PS4 and Na3PSe4, and a larger voltage window which can be kinetically stabilized. The experimental stability, when measured with reliable techniques, falls between these thermodynamic and kinetic limits. Employing a Na solid-state system as an example, they demonstrate the efficiency of the method by finding the most stable system (NaCrO2|Na3PS4|Na–Sn) within a selected chemical space (more than 20 different combinations of electrodes and electrolytes). Important selection criteria for the cathode, electrolyte, and anode in solid-state batteries are also derived from this study.The current method not only provides an essential guide for integrating all-solid-state battery components but can also significantly accelerate the expansion of the electrolyte/electrode compatibility data.在固态电池中作为电解质的陶瓷碱性超离子导体的研究已经取得了显著的进展。但是,在电解质和电极之间获得稳定的界面是十分困难的。只有少数针对电极和固体电解质兼容性的研究有所报道,部分原因是这需要昂贵的仪器和特殊的电池设计。没有简单但强大的工具支持,兼容性的问题难以得到系统研究,因而也阻碍了固态电池组件集成设计规则的归纳。本文作者介绍了一种方法,结合密度泛函理论计算和简单的实验技术(如X射线衍射法、同时差示扫描量热法、热重分析法、电化学法)以高效筛选大量电解质和电极对的兼容性。他们系统地区分了与电解质接触电子通路相关的固态导体的电化学稳定性和电极-电解液界面的电化学稳定性。对于固体电解质,作者可以通过计算得出绝对热力学稳定电压窗口,其对于Na3PS4和Na3PSe4来说很小,以及一个可动力学稳定的较大的电压窗口。通过可靠技术测量得到的实验稳定性在热力学和动力学限制之间。以钠固态体系为例,他们用这种方法在给定的化学空间(超过二十组电解质与电极的组合)中挑选出了最稳定的体系(NaCrO2|Na3PS4|Na–Sn),从而展示了其高效性。固态电池中的正极、电解质以及负极的重要选取标准也在这项研究中得到阐述。这一方法不仅为全固态电池组件集成提供了重要的指导,而且也加速了电解质和电极兼容数据的扩展。限时免费阅读原文,登陆后可下载扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文Chemical Science (IF: 9.144)1. Highly efficient electrochemical reduction of CO2 to CH4 in an ionic liquid using a metal-organic framework cathodeChem. Sci., 2016, 7, 890-895DOI: 10.1039/ C5SC03291AResearchers in Beijing have reported an efficient electrochemical reduction of CO2 to CH4. This was achieved via the combination of a metal-organic framework cathode and a pure ionic liquid electrolyte. Compared to commonly used metal electrodes, the reaction exhibited a higher selectivity to CH4 and current density, and the overpotential for CH4 was lower. This new combination provides a method to effectively and selectively reduce CO2 to CH4.中科院化学所的研究人员报道了一种电化学还原法,通过结合金属有机骨架(MOF)阴极和纯离子液体电解质可高效地将二氧化碳(CO2)转化为甲烷(CH4)。与常用的金属电极相比,这种方法对甲烷和电流密度展现出更高的选择性,而甲烷的过电位更低。这一新组合为二氧化碳转化成甲烷提供了一种高效和高选择性的方法。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文2. Noble-Metal-Free Co3S4-S/G Porous Hybrids As an Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction ReactionChem. Sci., 2016, 7, 6721-6727DOI: 10.1039/C6SC00357EChinese scientists have developed an efficient electrocatalyst for the oxygen reduction reaction. The noble-metal-free catalyst consisted of CO3S4 nanoparticles encapsulated in porous sulfur doped graphene. The catalytic activity was comparable with commercially available platinum catalysts, and displayed higher stability. These findings are promising for the future production of an efficient, stable and low-cost catalyst.中科院长春应化所的研究人员开发了一种氧还原反应(ORR)的高效电催化剂。该催化剂不含贵金属,由包裹于多孔硫掺杂的石墨烯中的CO3S4纳米颗粒组成,催化活性与市售的铂催化剂相当,但展现了更高的稳定性。这一成果有望推动未来高效、稳定以及低成本ORR催化剂的生产。Open Access(可免费阅读原文)扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文

来源: X-MOL 2017-05-11

金属-CO2电池:温室气体CO2化身能量源泉

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析全球变暖是人类社会目前所面临的一个严重问题,CO2作为主要的温室气体备受关注,特别是近年来大气中CO2的含量一直呈现出逐年增长的趋势。2016年其含量已经超过400 ppm,严重制约了人类社会的可持续发展,如何减少CO2的排放,降低人为气候的影响,成为当今社会普遍关注的问题。CO2的资源化转化利用是一条理想的出路,同时也成为国际上研究的热点和难点。金属-CO2电池成功将CO2应用于能源存储领域,在保证能源输出的同时有效降低CO2的排放。近日,南开大学周震教授(点击查看介绍)对金属-CO2电池的发展历程、研究现状以及目前该领域尚存在的关键问题和未来的发展方向进行了总结与评述。文章详细介绍了金属-O2/CO2一次和二次电池、高温金属-CO2一次电池以及室温金属-CO2一次和二次电池,其中金属-O2/CO2一次电池对回收利用工业烟气、汽车尾气中CO2的排放具有重要的研究价值;金属-O2/CO2二次电池能够为锂空气电池研究领域提供助力,加快其实用化进程;室温金属-CO2二次电池是CO2应用于能源存储领域的最终目标,该体系不仅能够有效降低CO2的排放,更可以为火星等富含CO2的星球探测提供动力来源。此外,文章对金属-CO2电池的储能机制和金属碳酸盐在储能体系中的转化应用进行了分析,对目前金属-CO2电池发展中各方面存在的问题和挑战进行了系统总结,对未来的研究方向提出了见解,其中包括深入研究充放电反应机理、开发稳定电解液、研发高效正极催化材料和开发新型电池体系等,有助于推动金属-CO2电池的全面发展。文章近期发表在Advanced Materials上,第一作者为南开大学谢召军博士。该论文作者为:Zhaojun Xie, Xin Zhang, Zhang Zhang, Zhen Zhou*原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Metal-CO2 Batteries on the Road: CO2 from Contamination Gas to Energy SourceAdv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605891周震教授简介周震,山东龙口人,南开大学材料科学与工程学院教授、新能源材料化学研究所所长。1994年本科毕业于南开大学,获理学学士学位;1999年毕业于南开大学,获得理学博士学位,同年留校任讲师。2001-2005年赴日本名古屋大学从事日本学术振兴会(JSPS)等机构资助的博士后研究。2005年作为副教授(引进人才)回到南开大学继续从事教学科研工作。2010年底晋升教授,2011年起任博士生导师。主要研究兴趣是通过计算与实验相结合设计纳米结构新能源材料及能源存储体系。在Prog. Mater. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上发表SCI摘录论文210余篇。论文被他人正面引用8500余次,h-index为55。19篇论文入选ESI近十年高被引论文。多篇论文被Nature China、美国化学会网站首页、JACS Spotlights和《科技日报》等推荐和报导。2008年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2014年获得天津市自然科学二等奖(第一完成人)。2014-2016年连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。2016年入选天津市中青年科技创新领军人物。《物理化学进展》、Current Graphene Science (Bentham Science)主编和Green Energy and Environment 编委。中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员。http://www.x-mol.com/university/faculty/11977科研思路分析Q:课题组对于研究金属-CO2电池的想法是怎么产生的?A:目前许多研究金属-CO2电池的课题组是基于金属空气电池的研究,准确地说是在研究CO2对金属氧气电池影响的过程中发展起来的。而我们课题组关于可充电Li-CO2电池的构想迸发于课题组成员苏利伟博士2013年的一次实验,发现碳酸盐做锂离子电池负极储锂容量非常高,且在反应过程中产生CO2气泡。此后博士生张彰开始建立锂氧气电池的研究平台,经团队成员反复实验,不断改进电极性能,2015年首次将石墨烯用作Li-CO2电池的空气电极,并表现出十分优异的性能。通过对空气电极结构的深入研究分析,又引入了碳纳米管作为正极活性材料,进一步提高了电池的循环稳定性能。Q:目前金属-CO2电池研究领域还有哪些关键问题需要解决?未来的发展方向又在哪些方面?A:金属-CO2电池的充放电反应机理还需要进一步深入研究,特别是结合各种原位测试方法检测碳酸盐和碳的生成与转化。开发高稳定性电解液对于提高金属-CO2电池的电化学性能至关重要。由于充电电压过高会导致现有电解液的氧化分解,而金属碳酸盐的分解又会伴随生成高活性的氧自由基。参照锂空气电池正极材料的发展过程,寻找促进金属碳酸盐分解的高活性催化剂是未来该领域主要的研究方向,有助于提高金属-CO2电池的整体性能。同时,研究探索其它种类的金属-CO2电池,构建不同类型的电池体系,增加金属-CO2电池的可逆性能同样需要深入开展。Q:金属-CO2电池有没有潜在的产业化优势?A:从战略意义上讲,金属-CO2电池不但可以将CO2资源化利用,减少化石燃料的消耗,还能够作为未来火星移民的潜在能源体系,因为火星表面大气中CO2的含量高达95%左右。实际上,金属-CO2电池的工业化应用必然涉及到气体储罐。相比于压缩氧气,CO2的存储占有很大优势。当气体在30 ℃下压缩到相对安全和实用的120 bar压强时,压缩氧气的密度只有0.160 kg/L,而CO2的密度则为0.802 kg/L。此外,采用更为经济的固态干冰,或将CO2作为超临界流体进行使用,能够同时作为活性物质和电解液溶剂,采取液流电池的方式进行工作。由此可见,金属-CO2电池具有很明显的产业化优势,是一种潜在的环境友好、高能量密度、高功率密度的车载储能体系。X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

来源: X-MOL 2017-04-08

具有超灵敏高响应度的石墨烯基短波红外探测器

石墨烯,因其较高的载流子迁移率以及宽波段的光谱吸收,有望在光电器件中得到广泛应用。然而,单层石墨烯仅具有2.3%的吸光率,并且光生载流子寿命极短,这些方面又限制了其在光电探测器中的应用。近日,香港中文大学电子工程系科研人员与合作者通过设计基于石墨烯的异质结构,同时利用金颗粒的表面等离增强作用,实现了基于石墨烯的短波红外探测器(Short-Wave Infrared Photodetectors)。特别指出的是,相比于其他异质结构中引入吸光材料,本研究的探测器结构中石墨烯作为主要吸光材料,在1.55微米波段光源工作条件下具有83 A/W的高响应率,以及600 nm的超快响应速度。香港中文大学研究团队采用聚苯乙烯球阵列为模板,实现了在石墨烯表面构建具有三角形状的金纳米颗粒阵列。重要的是,通过调节金纳米颗粒的尺寸而调节其表面等离增强效果,从而可以实现将石墨烯在1.5微米波长附近的光吸收提高近一个数量级。与此同时,与传统的石墨烯-半导体异质结不同(传统异质结内半导体吸收入射光产生光生载流子),本研究的石墨烯-硅异质结中,石墨烯吸收红外光从而贡献光生载流子,而异质结内建电场可以俘获石墨烯中的光生电子,这一机制可以有效地提高光生载流子的寿命,并实现快速的光响应。结合以上两种协同作用的机制,这一基于石墨烯的光电探测器在1.55微米波段光源的工作条件下,具有高响应率以及超快响应速度。这一研究结果,可以实现具有优异性能的石墨烯光电探测器,同时该器件设计思路也有望在其他二维材料光电器件应用中得到广泛应用。该研究工作近期发表在ACS Nano 上,文章通讯作者为香港中文大学许建斌教授与李昕明博士,第一作者是香港中文大学博士研究生陈泽锋。该论文作者为:Zefeng Chen, Xinming Li, Jiaqi Wang, Li Tao, Mingzhu Long, Shi-Jun Liang, Lay Kee Ang, Chester Shu, Hon Ki Tsang, Jian-Bin Xu原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Synergistic Effects of Plasmonics and Electron Trapping in Graphene Short-Wave Infrared Photodetectors with Ultrahigh ResponsivityACS Nano, 2017, 11, 430–437, DOI: 10.1021/acsnano.6b06172X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

来源: X-MOL 2017-04-03

极地气候变化加剧冬季雾霾

全球气候变化导致的极地北冰洋海冰消融与西伯利亚降雪增加改变了区域大气环流结构,进而可能加剧了中国近年来的冬季严重空气污染问题。通过对最近30多年的观测数据和气候模式的模拟结果的综合分析,佐治亚理工学院王育航教授(点击查看介绍)研究组的工作表明,极地北冰洋的海冰的减少和西伯利亚降雪的增加影响了中国冬季风的传播路径与强度,减缓了中国东部平原地区污染的扩散,从而有利于区域静稳天气的形成并减弱了空气污染物扩散,使得中国东部平原人口与工业中心地区出现大范围严重雾霾。这些区域大气环境的变化将在很大程度上抵消了中国正在进行的通过污染物减排改善空气质量行动的效果。Yuhang Wang, a professor in the School of Earth and Atmospheric Sciences at the Georgia Institute of Technology, led a study of how global climate change may be worsening winter air pollution problems in China. Credit: Georgia Tech佐治亚理工学院地球与大气科学系王育航教授表示,“中国地区的空气污染排放在过去四年中处于下降趋势,但冬季空气质量并没有明显改善。这一现象很大程度上与近年来北极地区秋季海冰快速减少与中高纬欧亚地区初冬降雪增加导致的气候效应相关。上述极地气候变化减弱了影响中国中东部地区的冷空气强度,使得空气污染物更容易累积并形成区域性大范围严重空气污染。”上述研究成果由美国国家自然科学基金和美国国家环保署资助,并发表于最新一期的《科学进展》(Science Advances)杂志。该研究成果首次将极地气候变化与区域空气污染问题联系起来,并清楚地表明全球气候变化导致的大尺度环流扰动具有显著的区域环境影响。Figure1: Map shows the distribution of aerosol optical depth from the MODIS instrument onboard NASA’s Aqua Satellite for January 2013. 包括首都北京的中国东部平原地区严重空气污染问题于2013年初获得世界范围内的广泛关注。当时架设于北京美国大使馆的一台空气质量监测仪器记录了设备工作以来最高的PM2.5颗粒物浓度。此后一系列的严重空气污染事件促使中国政府制定严格的污染减排目标以减少工业和其他污染源的排放。尽管这些污染减排措施正在付诸实施,中国冬季尤其是12月至1月间的严重空气污染事件却在近年不断上演。因此王育航教授和他的研究合作者们:邹宇飞、张羽中以及Ja-Ho Koo着手研究是否有其他重要因素在空气污染问题中扮演角色。由于缺乏中国地区的长期空气质量观测数据,研究者们收集了包括气象能见度观测与卫星监测数据在内的其他相关资料以供研究。为了分析历史污染水平,研究者们基于地表风速与逆温强度创建了一个新的空气污染潜势指数(PPI),以此衡量中国东部地区的污染扩散条件。“当我们创建了PPI指数并将其与历史能见度长期观测数据对照后发现,发生于2013年1月间的空气污染事件严重程度远高于过去30年间的任何一年的水平。”王育航教授表示,“而同时期的污染排放并没有明显变化,由此我们推断一定有其他重要因素导致了上述极端事件。”中国东部平原地区由一系列相互接壤的平原组成,东临大海余面环山,地形地貌特征与同样遭受空气污染困扰的美国南加州地区类似。在冬季,大量来自工业与机动车排放的空气污染物只能通过水平扩散或垂直混合来有效清除。当这些大气的清除机制在静稳天气条件下失效,空气污染物便开始累积。发生于2013年1月的事件就像是有人关掉了通风扇以阻止区域空气自然流通净化。研究者们进一步检查了包含极冰、雪盖、厄尔尼诺等各种主要气候因子的影响。他们利用主成分分析与最大协方差分析的方法发现中国地区静稳天气条件与北极海冰和中高纬度西伯利亚地区雪盖的变化密切相关。其中北极海冰在2012年秋季减小到历史性低位,而西伯利亚雪盖面积在紧随其后的2012年初冬季节达到历史性最大。随后他们采用全球气候模式来模拟研究这些气候因子的变化是如何影响了大尺度大气环流形势以及中国东部地区的污染扩散条件。Figure2: A time series from 1981-2015 shows Eurasia snow and Artic sea ice cover (top) in the fall and early winter; January regional ventilation (middle), the inverse of visibility, and PM10 concentrations (2005-2015, bottom) over the East China Plains in January.王教授认为,“海冰减少与雪盖增加导致影响中国的西伯利亚高压脊减弱,由此减小了海陆气压与温度梯度并导致东亚冬季风传播路径向东偏移,这一变化降低了中国东部地区的地表风速并创造了区域大范围的静稳天气条件。”这一模拟研究结果与当年冬季中国东部整体气温偏高,而位于中国以东的韩国和日本遭遇严寒天气相吻合。这些区域气温变化清楚地表明冷空气影响范围发生了改变。而最近的2016年冬季至2017年初再次上演了类似的气候变化。北极海冰于2016年9月再次接近历史低点,而欧亚大陆中高纬雪盖面积随后增加,进而引发了2016年12月至2017年1月间中国东部的严重空气污染。王教授认为全球气候变化导致的上述气候因子与区域大气环境变化趋势将在未来持续,“尽管当前中国政府正在努力减少污染排放,我们认为中国冬季空气污染现象将在未来一段时期内反复出现。目前这一污染问题在很大程度上由长期气候变化驱动,而不单单由短期人为污染排放因素驱动,因此在未来短时间内将很难获得明显改善。”王教授希望在接下来的研究中将能够使用上中国新建成的空气质量监测网络的数据。他认为上述气候变化影响可能由于中国东部地区特殊的地形与区域环流结构而仅限于中国地区。但这一影响不仅针对空气污染问题,上述研究成果也会促使中国政府进一步致力于应对气候变化问题。“北极地区的快速变暖现象正对中国产生越来越显著的影响。”他说,“这将促使中国政府不仅限于关注空气污染物的减排,同时注重考虑温室气体减排的协同效应。我们的研究表明削减温室气体可以帮助改善中国冬季空气质量。”视频来源:佐治亚理工学院该论文作者为:Yufei Zou, Yuhang Wang, Yuzhong Zhang, Ja-Ho Koo原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Arctic sea ice, Eurasia snow, and extreme winter haze in ChinaSci. Adv., 2017, 3, e1602751, DOI: 10.1126/sciadv.1602751导师介绍王育航http://www.x-mol.com/university/faculty/26783

来源: X-MOL 2017-03-20

Nature Commun.:铑纳米粒子光催化剂,高选择性CO2加氢制甲烷

二氧化碳(CO2)排放量的剧增对全球气候与人类的生存环境造成了严重的影响,因而其资源化再生利用,在解决环境和能源问题两方面都具有重要的理论价值与现实意义。而CO2催化加氢甲烷化技术,被认为是目前CO2循环再利用中最实用最有效的技术之一。CO2在输入高能量并提供电子给体进行活化后,加入活泼的还原剂氢气(H2),即可完成甲烷化反应。而开发高性能的催化剂,是其工业化的关键前提。全球二氧化碳浓度图。图片来源:Shenkong.netCO2甲烷化反应中涉及的主要反应如下:CO2 (g) + 4H2 (g) → CH4(g)+ 2H2O (g)CO2(g) + H2 (g) → CO (g) + H2O (g)人们更希望得到能作为燃料的甲烷,而不是甲烷与一氧化碳的混合物。因而,理想的催化剂不仅要实现高的反应速率,同时还应具备高的选择性,使反应产生极少甚至不产生副产物,这也是工业规模的成本和可行性所需要考虑的重要因素。日前,来自美国杜克大学的刘杰(Jie Liu)教授和Henry Everitt教授及其研究团队,发现通过光照射铑(Rh)纳米粒子,不仅可以减少CO2甲烷化反应的活化能,还能极大地提高反应的选择性。当用紫外光线照射Rh纳米粒子,可使反应的选择性达到98%左右,并且反应速率是热催化反应的两倍。相关成果已发表于Nature Communications 杂志上。刘杰教授和Henry Everitt教授。图片来源:Duke University作为地球上最稀有的元素之一,铑常被用做催化剂参与许多重要的过程,比如药品、清洁剂、氮肥等的工业化生产,以及处理汽车尾气来消除其中的大量污染物。研究人员首先将37 nm的Rh纳米块负载于Al2O3上,制备得到Rh/Al2O3光催化剂。通过精确的调节,他们扩宽了这种催化剂的局部等离子共振波长范围,使之能完全覆盖紫外光源的波长。Rh/Al2O3光催化剂的电镜表征图。图片来源:Nat. Commun.接着,研究人员将少量Rh/Al2O3催化剂放入反应室中,并通入CO2和H2的混合物,同时质谱仪器检测反应的产物。他们发现,当将纳米颗粒加热到300摄氏度时,反应会产生甲烷和一氧化碳的等量混合物。而当关闭热源,用高功率的紫外LED灯照射时,他们惊讶地发现,CO2和H2的反应在室温下几乎能完全生成甲烷,选择性高达98%,并且反应速率是热催化反应的两倍。光催化反应装置的示意图。图片来源:Nat. Commun.随后,研究人员对这种光催化反应的机理进行了详细研究。他们发现,由光催化反应产生的热电子能够选择性地激活中间体CHO中的C-O键,并且能降低反应的表观活化能,因而可以实现高选择性、高活性的CO2加氢甲烷化反应。反应机理图。图片来源:Nat. Commun.接下来,研究团队计划将他们的基于铑钠米粒子的光催化技术用于其他反应。此外,他们还期望通过调节铑纳米颗粒的尺寸,开发一种直接由太阳光驱动的光催化剂,使这一策略更符合“可持续发展”原则。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenationNat. Commun., 2017, 8, 14542, DOI: 10.1038/ncomms14542(本文由冰供稿)X-MOL催化领域学术讨论QQ群(210645329)

来源: X-MOL 2017-03-18

节能电解产生氢气:Ni2P纳米阵列作为高效的非贵金属双功能电催化剂

随着化石燃料的急剧消耗以及日益严重的环境污染问题,人类急需发展新型能源代替传统能源,电解水制取氢气被认为是可以解决当前能源危机最安全有效的技术。电解水包括两个半反应,即阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)。阳极析氧动力学缓慢,需要较高的过电位才能产生较大的电流密度,导致整体电能转化成化学能效率较低。科学家们也在不断地发展具有高活性和稳定性的非贵金属析氧催化剂。例如过渡金属氧化物、氢氧化物以及最近四川大学孙旭平课题组发展的三维自支撑的CoPi纳米阵列催化剂,在中性环境中具有高效的析氧催化性能。尽管如此,阳极析氧反应需要较大的能量形成氧-氧键,这一问题仍然是电分解水的瓶颈。此外,由于产生的氧气利用价值不高,且与阴极产生氢气混合存在潜在的危险,需要附加分离步骤,从而增加了成本。因此,寻找一种热力学更容易发生的氧化反应来取代阳极析氧反应,使得阴极析氢更加节能,进而提高整个电解池的能量转化效率。最近,四川大学孙旭平课题组在泡沫镍上发展的三维磷化镍纳米片阵列,对肼具有高效的催化氧化效果,并且肼氧化反应(HzOR)电位相对水的氧化电位低很多,因此可以用阳极肼氧化代替水氧化,使阴极析氢能量转换效率提高。在两电极(HER║HzOR)电解池中,当电流密度为500 mA cm-2时,仅需要的电压为1.0 V,然而在两电极(HER║OER)电解池中,当电流密度为20 mA cm-2时,则需要的电压为1.6 V。该工作为高效低能耗析氢提供了一种新思路。这一成果近期发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上,文章的第一作者是西华师范大学与四川大学联合培养的硕士生唐春,四川大学本科生张蓉为共同第一作者。该论文作者为:Chun Tang, Rong Zhang, Wenbo Lu, Danni Liu, Shuai Hao, Gu Du, Abdullah M. Asiri, Xuping Sun原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Energy-Saving Electrolytic Hydrogen Generation: Ni2P Nanoarray as a High-Performance Non-Noble-Metal ElectrocatalystAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 842-846, DOI: 10.1002/anie.201608899

来源: X-MOL 2017-03-18
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