中國粉體網(wǎng)訊 隨著環(huán)境污染和能源危機的不斷加重，污染氣體的消除和再轉(zhuǎn)化已經(jīng)成為當(dāng)前最迫切的問題之一。因此，為了緩解能源危機和降低環(huán)境污染，科研工作者們正在研究利用催化劑將有害氣體轉(zhuǎn)化為碳?xì)�、氮氫等可利用的再生能源，而該轉(zhuǎn)化反應(yīng)最主要的難題之一便是高效催化劑的選擇和合成。
針對此難點，目前比較新穎有效的合成方式就是表面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，表面調(diào)控主要有兩種方式：暴露表面調(diào)控和負(fù)載助催化劑；而不管哪一種方式，對于催化劑的微結(jié)構(gòu)演變研究都顯得尤為重要。
能源轉(zhuǎn)化催化劑應(yīng)用舉例：
表面可控的納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用之所以成為主流是由于納米材料能夠為反應(yīng)提供較大的比表面積、豐富的表面態(tài)并且容易控制形成特殊形貌。
氧化鐵是最具潛力的光解水的催化劑之一，具有合適的帶隙大小、在水環(huán)境中穩(wěn)定、原料便宜且常見等優(yōu)點，根據(jù)計算，氧化鐵可以將16.8%的太陽能轉(zhuǎn)化為氫能，對應(yīng)于光解水過程中產(chǎn)生的平衡光電流密度高達(dá)12.6 mA•cm-2。
但氧化鐵具有導(dǎo)帶位置偏低、空穴在氧化鐵表面氧化水的反應(yīng)速度慢、光激發(fā)的電子和空穴非常容易復(fù)合等缺點，嚴(yán)重影響了氧化鐵實際光解水的效率。
因此研究人員計劃從提高光電流密度和降低起始電壓兩個方面來提高其性能。目前降低氧化鐵光解水起始電壓的方法主要有沉積表面鈍化層、復(fù)合表面助催化劑和形成表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)等。
另一種高效的納米結(jié)構(gòu)催化劑是過渡金屬二硫?qū)倩衔铮ㄈ鏦Se2），該催化劑可設(shè)計出一種新型的太陽能電化學(xué)催化反應(yīng)裝置，能在低過電位下于離子液體中直接將CO2轉(zhuǎn)化成合成氣（CO和H2），生成一氧化碳（CO）的效率可達(dá)傳統(tǒng)銀納米顆粒催化劑的1000倍，整個過程廉價且高效，穩(wěn)定性好。另外，這種納米結(jié)構(gòu)催化劑除了效率遠(yuǎn)高于貴金屬催化劑之外，成本也僅有其二十分之一左右。
催化劑微結(jié)構(gòu)演變的表征
化學(xué)反應(yīng)的90%以上都是通過催化劑實現(xiàn)的，在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，催化劑扮演著重要角色。由于大部分催化反應(yīng)都發(fā)生在催化劑的表面，因此催化劑微結(jié)構(gòu)演變的研究就顯得尤為重要，通常我們采用電子顯微法對催化劑微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究表征。
電子顯微法對于催化劑的活性位確定、納米粒子尺寸分布、金屬-載體之間相互作用、雙金屬納米粒子結(jié)構(gòu)、復(fù)雜氧化物和分子篩結(jié)構(gòu)、納米碳缺陷結(jié)構(gòu)等，以及對原位動態(tài)納米結(jié)構(gòu)催化劑的研究起著重要作用。
同時，電子顯微方法作為研究學(xué)者的“電子眼”，不但可以直觀展示固體催化劑的形貌，而且在原子尺度提供了催化劑的精細(xì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)信息和電子信息，對新型催化劑的發(fā)現(xiàn)、反應(yīng)過程中催化劑結(jié)構(gòu)演變及結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系等研究起了重要作用，另外還促進(jìn)解析揭示反應(yīng)機理，調(diào)控設(shè)計合成高效催化劑。因此，電子顯微方法作為一種重要表征技術(shù)在催化化學(xué)發(fā)展中扮演著至關(guān)重要的角色。
總結(jié)：
關(guān)于大比表面積的特殊形貌催化劑的研究正成為新的熱點，其最大阻礙是很難自發(fā)形成暴露高能表面。因此，在晶體生長和催化反應(yīng)過程中需要對晶面適時進(jìn)行調(diào)控，這就需要我們對晶體表面的微觀結(jié)構(gòu)、催化機理以及演變過程有更清晰地認(rèn)識。在2017年10月16-17日召開的2017能源顆粒材料制備及測試技術(shù)研討會上，中國科學(xué)院金屬研究所研究員張炳森先生將與您分享《化學(xué)環(huán)境中能源轉(zhuǎn)化催化劑的微結(jié)構(gòu)演變研究》的報告，助您了解能源轉(zhuǎn)化催化劑的微結(jié)構(gòu)演變研究的最新進(jìn)展。
2009-2011年德國馬普學(xué)會Fritz-Haber研究所做博士后研究工作，2011-2013年中國科學(xué)院金屬研究所 “葛庭燧獎研金”學(xué)者，2013年至今，任中國科學(xué)院金屬研究所項目研究員。現(xiàn)為中國顆粒學(xué)會青年理事。
研究領(lǐng)域：負(fù)載型催化材料設(shè)計合成、微觀結(jié)構(gòu)、催化性能及構(gòu)效關(guān)系研究。
