摘要：The world relies on nonrenewable fossil resources, which provide various fuels, chemicals and materials. Biomass is an-other storage form of carbon and solar energy that has attract-ed great interest, mainly because of its potential as a sustaina-ble source of chemicals and fuels [1,2]. Lignin is an attractive biomass feedstock. As shown in Fig. 1, three phenylpropane units assemble into lignin with a complex three-dimensional structure and different linkages in plants [3].

摘要：Junctions are an important structure that allows charge separation in solar cells and photocatalysts. Here, we studied the charge transfer at an anatase/rutile TiO2 phase junction using time-resolved photoluminescence spectroscopy. Visible （-S00 nm） and near-infrared （NIR, -830 nm） emissions were monitored to give insight into the photoinduced charges of anatase and rutile in the junction, respectively, New fast photoluminescence decay components appeared in the visible emission of futile-phase dominated TiO2 and in the NIR emission of many mixed phase TiO2samples. The fast decays confirmed that the charge separation occurred at the phase junction. The visible emission intensity from the mixed phase TiO2 increased, revealing that charge transfer from rutile to anatase was the main pathway. The charge separation slowed the microsecond time scale photolumines- cence decay rate for charge carriers in both anatase and rutile. However, the millisecond decay of the charge carriers in anatase TiO2 was accelerated, while there was almost no change in the charge carrier dynamics of rutile TiO2. Thus, charge separation at the anatase/rutile phase junction caused an increase in the charge carrier concentration on a microsecond time scale, because of slower electron-hole recombination. The enhanced photocatalytic activity previously observed at ana- tase/rutile phase junctions is likely caused by the improved charge carrier dynamics we report here. These findings may contribute to the development of improved photocatalytic materials.

摘要：浆态床加氢是一种先进的非常规石油资源(重油等)加氢提质技术,它采用分散型催化剂以提高催化剂与原料中的沥青质等大分子的接触程度.沥青质等大分子中多环芳烃的快速转化是浆态床重油加氢技术的挑战,因此设计高活性的加氢催化剂是浆态床加氢技术的关键.作为典型的二维层状材料,分散型MoS_(2)催化剂表现出较好的催化加氢性能.然而,纳米尺寸的分散型MoS_(2)催化剂的稳定性有待提高,在高温高压下MoS_(2)片层会折叠并聚集成较大的颗粒以降低其表面能.MoS_(2)颗粒的生长会导致其悬浮性降低和边缘活性位点暴露量减少,因而降低催化剂的活性和寿命.因此,急需设计开发高性能的分散型MoS_(2)纳米催化剂,从而解决MoS_(2)层在高温高压条件下的折叠和聚集难题,提高MoS_(2)纳米催化剂的催化加氢活性和稳定性.纳米复合材料的构建可以有效地解决活性组分的团聚问题.近年来,Janus纳米复合材料因其在催化方面的广泛应用引起了科研人员的关注.此外,复合材料中各组分的种类对其催化活性有显著影响.早期研究表明,与Al_(2)O_(3),SiO_(2),MgO或其他金属氧化物相比,TiO_(2)复合MoS_(2)催化剂具有较高的催化加氢活性.本文通过一步溶剂热法合成了一系列不同MoS_(2)含量的Janus MoS_(2)-TiO_(2)纳米复合催化剂,并研究了其在浆态床催化菲加氢中的活性和稳定性.高分辨透射电镜结果表明,Janus MoS_(2)-TiO_(2)纳米复合催化剂由TiO_(2)纳米粒子(10-15 nm)和MoS_(2)片层(堆积层数为1-3和片层长度为2-10 nm)组成.活性位模型计算和NO化学吸附测试表明,与MoS_(2)和负载型MoS_(2)/TiO_(2)催化剂相比,Janus MoS_(2)-TiO_(2)纳米复合催化剂中的MoS_(2)层具有更高的MoS_(2)分散度,暴露出更多的边缘配位不饱和Mo原子.X射线光电子能谱结果表明,通过形成Mo-O-Ti键成功构建了具有强MoS_(2)-TiO_(2)相互作用的Janus结构,并出现了TiO_(2)向MoS_(2)的电子转移现象.从TiO_(2)到MoS_(2)的电子转移会削弱Mo-S键并在基面产生大量配位不饱和Mo原子.浆态床催化菲加氢反应结果表明,Janus MoS_(2)-TiO_(2)纳米复合催化剂上菲转化率最高可达91.6%.而MoS_(2)催化剂上菲转化率仅为50.4%.催化剂的稳定性评价结果表明,经过7次菲催化加氢循环反应后,Janus MoS_(2)-TiO_(2)-15纳米复合催化剂上菲转化率降低了25.1%,保持在68.6%,仍高于新鲜的MoS_(2)催化剂上菲的转化率.然而经过7次菲催化加氢循环反应后,MoS_(2)催化剂上菲的转化率下降了49.6%,仅为25.4%.与MoS_(2)催化剂相比,Janus MoS_(2)-TiO_(2)纳米复合催化剂在高温高压下表现出更高的菲催化加氢活性和稳定性.结合反应后的催化剂表征,其高活性可归因于大量配位不饱和Mo原子的暴露.而其高稳定性主要是源于其稳定的Mo-O-Ti键提供的MoS_(2)-TiO_(2)强相互作用,可以有效地将MoS_(2)层锚定在TiO_(2)纳米粒子表面,避免MoS_(2)层卷曲、折叠和团聚.综上,将二维层状催化剂与另一种纳米材料耦合形成Janus纳米复合催化剂是设计和构建在高温高压条件下具有较好催化性能和稳定性的二维层状催化剂的有效途径.

摘要：二十世纪八十年代以来,特别是近十年,光催化研究在利用可再生能源太阳能的道路上飞速发展.越来越多的研究表明,相结结构的构筑是有效提高半导体光催化剂性能的重要策略.其中,TiO2作为重要的模型光催化剂,其相关研究成果呈现出指数增长的趋势.本综述围绕TiO2模型光催化剂,主要介绍TiO2表面相结的研究成果,包括TiO2表面相的表征、锐钛矿:金红石TiO2相结用于光催化产氢研究、TiO2相结在光催化中作用的最新认识等.在表征方面,通过表面灵敏的紫外拉曼光谱研究了TiO2相变过程中表面相结构的变化,结合可见拉曼以及XRD表征揭示了TiO2独特的相变过程,即相变始于锐钛矿粒子的界面处,小粒子逐渐团聚为大粒子,致其相变从大粒子体相开始最终扩展到整个粒子.使用CO,CO2探针红外光谱,根据锐钛矿和金红石表面吸附物种的差异,进一步证实了锐钛矿:金红石表面相结结构,为紫外拉曼光谱的表面表征特性提供坚实证据.同时,利用发光光谱观察到锐钛矿晶相的可见发光带和金红石晶相的近红外发光带,并基于此给出了TiO2材料表面相结结构的荧光表征新方法.此外荧光光谱还提供了锐钛矿、金红石相中载流子动力学信息,揭示了束缚态在光催化中的作用.在光催化应用方面,观察到混相结构TiO2较单独锐钛矿及金红石相具有更高的光催化产氢活性,通过在较大金红石颗粒上担载纳米锐钛矿粒子,证明了相结结构在提高光催化活性中的核心作用,并首次提出了锐钛矿:金红石表面异相结结构概念,推断其对电荷分离的促进作用是最终提高反应活性的原因.之后将此概念应用到改善商品TiO2(P25)光催化活性中,通过可控热处理精细调控P25的表面相结构,在光催化重整生物质衍生物产氢实验中,成功将P25光催化产氢活性提高3-5倍.之后发展了新的TiO2表面控制方法,通过加入Na2SO4等相变控制剂,延缓了TiO2从锐钛矿向金红石的相变过程,在较高温度下实现TiO2相结结构的调控,最终可将P25光催化重整甲醇制氢的活性提高6倍,同时通过高分辨电镜清晰观察到锐钛矿:金红石相结的原子层生长接触.在相结作用机理方面,多种时间分辨光谱技术以及理论计算被用作探索锐钛矿:金红石相结处的电子转移机理.通过时间分辨红外光谱对TiO2表面相结结构作用的研究,特别是利用锐钛矿、金红石不同的瞬态吸收光谱特征,证明了锐钛矿:金红石相结处的载流子转移过程,存在锐钛矿向金红石的电子转移过程.模型光催化剂TiO2相结的研究成果,加深了对光催化机理的认识,促进新型高效光催化体系的设计合成.

摘要：针对甲烷氮气的分离难题,通过溶剂热法大量合成了6种典型的由单齿、多齿与多元配体构建的金属有机框架材料,并利用单组分静态与双组分动态吸附法分别研究了甲烷与氮气在材料中的吸附行为。研究结果表明,MOFs材料相对较弱的极性,致使其甲烷氮气的分离选择性明显优于Si/Al分子筛;多齿配体MOFs材料因配体较长,孔道较大,具有与活性炭相当的甲烷氮气分离选择性;MOFs中的不饱和金属位增大了孔道极性,不利于分离性能的提高;单齿甲酸配体构建的超微孔[Ni3(HCOO)6]框架具有非常优异的CH4/N2分离性能,其选择性高达7.0,是Si/Al分子筛与活性炭的2倍。这为高效甲烷氮气分离材料的设计提供了新的参考依据。

摘要：光催化苯甲醇直接脱氢制苯甲醛是一种利用太阳能合成精细化学品的同时生成氢气的节能途径。负载型半导体CdS基催化剂是该反应的一类典型的光催化剂。文献报道CdS的形貌对光催化水分解的性能有明显的影响,但其在光催化苯甲醇无氧脱氢制苯甲醛反应中的形貌效应研究报道极少。本工作合成了纳米片状(NS)和纳米线状(NW)两种不同形貌的CdS,发现CdS-NS表现出比CdS-NW更高的转化苯甲醇的光催化活性,但这两种催化剂对苯甲醛的选择性非常低。通过在CdS-NS和CdS-NW上负载Au_(25)纳米团簇,光催化苯甲醇无氧脱氢制苯甲醛反应的活性和选择性明显提高,并显著减弱了CdS载体的形貌对催化反应性能的影响。以上结果为设计合成精细化学品的高效光催化剂提供了参考。

摘要：MoS_2 samples with controllable morphologies and structures were synthesized using surfactantassisted hydrothermal *** effects of surfactants（PEG,PVP,P123,SDS,AOT,and CTAB）on the morphologies and structures of MoS_2 samples were *** results revealed that spherical,bulk-like,and flower-like MoS_2 particles assembled by NH4~＋-intercalated MoS_2 nano-sheets were *** morphologies of the MoS_2 samples and their structures（including the slab length and the number of stacked layers） of MoS_2 nano-sheets in these samples could be controlled by adjusting the ***-dispersed spherical MoS_2 particles could be synthesized with PEG via the creation of MoS_2 nano-sheets with slab lengths shorter than 15 nm and fewer than six stacked *** formation mechanisms of these MoS_2 samples created via surfactant-assisted hydrothermal processes are ***,the catalytic activities of MoS_2 samples for anthracene hydrogenation were evaluated in a slurry-bed *** catalyst synthesized with the surfactant PEG exhibited the highest catalytic hydrogenation *** with the other catalysts,it had a smaller particle size,mono-dispersed spherical morphology,shorter slab length,and fewer stacked layers;these were all beneficial to exposing its active *** work provides an efficient approach to synthesize transition metal sulfides with controllable morphologies and structures.

摘要：人类活动和工业生产导致全球氮循环严重失衡,对生命系统的健康造成了一定威胁.因此,开发高效、环保的NO_(x)脱除技术具有重要意义.其中,电化学硝酸盐还原反应(eNO_(3)RR)是反向人工氮循环的重要组成部分,同时也被认为是一种非集成式合成氨(NH_(3))的可行途径.NH_(3)是生产肥料的重要原料之一,传统哈伯法(H-B)合成氨能耗高,且会排放大量温室气体CO_(2),由可再生电力驱动的电催化氮气还原(eNRR)合成氨被认为是一条更环保和可持续的路线.目前,一些研究表明电催化硝酸盐还原具有比eNRR更高的产氨活性和选择性.然而,一个主要的挑战是在低过电位下产物的选择性,即亚硝酸盐(HNO_(2))和NH_(3)之间的竞争.本文选择了六个具有MN_(4)单元的石墨烯负载的过渡金属单原子催化剂(SACs)作为模型,通过密度泛函理论(DFT)计算研究eNO_(3)RR机理.采用本课题组开发的反应相图分析(RPD)方法从全局热力学最优的角度构建了六个MN_(4)催化剂的二维准活性和选择性相图,其中FeN_(4)催化剂展示出较高的准活性和适当的选择性.DFT计算结果表明,产生HNO_(2)和NH_(3)的最优路径共享一个关键中间体(NO_(2)*),其吸附结构和在后续转化中的偏好决定了产物选择性.结合电势相关性动力学势垒计算和微观动力学模拟结果,动力学研究表明,理论上两种产物不同电压下的法拉第效率(FE)趋势会发生反转,与FeN_(4)催化剂上实验测得的HNO_(2)和NH_(3)的FE趋势和反转电压吻合,这归因于两个重要的基元步骤(R4:NO_(2)*-→cisHNO_(2)*和R7:NO_(2)*→HNO_(2)+*)具有不同的电荷转移系数(β),前者(R4)具有更大的电荷转移系数,使得生成NH_(3)的动力学能垒随电压的降低而下降得更快,这就把NH_(3)从低过电势下的低选择性到高过电势下的高选择性归因到动力学问题,较好地理解了两种产物的FE发生发转的原因.最后,从电子结构方面对R4和R7两个关键基元步骤的初态和过渡态进行了电子局域化函数和晶体轨道哈密顿布居分析.综上,理论计算的机理研究很好地解释实验观察的结果,其机理方面的理解对于将来理性设计高效的eNO_(3)RR合成NH_(3)催化剂具有一定的指导意义.

摘要：可再生能源驱动的二氧化碳电催化还原反应(CO_(2)RR)是实现CO_(2)高效转化和利用的有效途径。电解器的理性设计对于提高CO_(2)RR性能及其工业放大应用具有重要意义。电解器构型及其操作条件在很大程度上决定了电极附近的局部反应环境,从而调变催化性能。本文深度剖析了三种CO_(2)电解器(H型电解池、流动电解池和膜电极电解池)的研究进展和现状,结合文献报道,在电流密度、法拉第效率、能量效率和稳定性等四个关键性能参数上比较和讨论了不同电解器构型的优缺点及其对CO_(2)RR性能的影响。面向实际应用的CO_(2)RR研究应该把工业级电流密度作为提高其它三个指标的前提。尽管目前还存在一些问题和挑战,膜电极电解器被认为是最具工业应用前景的技术方案。本文最后提出了一些可能的研究策略和机遇,展望了该领域的未来发展趋势。

摘要：在低碳发展的背景下,开发利用清洁无污染的太阳能对满足未来日益增长的能源需求至关重要.半导体光催化技术可将太阳能转化为化学能,为可再生能源的发展提供了重要支持.因此,深入理解光催化剂与光催化活性之间的内在关联,对于优化和提升光催化效率至关重要.尽管科研人员在设计开发用于光催化反应的新材料方面付出了巨大努力,但对半导体的内在性质、表面活性位点和催化反应机理之间的深层次联系,仍缺乏充分的理解和认识.基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算是揭示材料内禀电子结构性质和反应过程能量变化的重要工具,正逐渐获得研究者的广泛关注.并且,随着计算方法的不断优化,该领域也取得了显著的进步.本文通过系统梳理国内外代表性研究工作,深入探讨了DFT计算在光催化领域中的广泛应用.首先,总结了DFT计算在光催化领域中的六大优势:(1)预测光催化材料的电子结构,如能带结构、能带间隙和能级;(2)预测表面反应的吸附位点、吸附能等变化;(3)在原子水平上揭示电荷转移过程,包括电子和空穴的运动;(4)阐明光催化剂与底物之间的相互作用;(5)预测光催化材料中空位、间隙和掺杂等缺陷的形成及其影响;(6)阐明光催化反应的机理细节,包括中间物种、过渡态和反应途径等.接着,简要概述了常用于第一性原理计算的软件和计算方法,并特别关注了如何利用不同策略来纠正传统DFT方法对半导体电子结构特性的不适当估计.随后,分析了基于DFT计算的半导体电子和能量特性的典型研究案例,如能带结构、态密度、电荷分布、功函数、形成能和吸附自由能等.此外,还详细阐述了半导体催化剂在多种太阳能驱动反应中的基本应用,包括析氢反应、析氧反应、氧还原反应、CO_(2)还原反应和氮还原反应等.最后,指出了DFT计算在光催化研究中的机遇与挑战,并展望了未来可能的发展方向.综上,本文系统综述了DFT计算在光催化领域中的广泛应用,旨在深入理解光催化反应中“组成-结构-功能”之间的关系,并为未来开发设计用于太阳能到化学能催化转化的高效稳定催化剂提供参考.