摘要：利用太阳光光催化分解水制取氢气是一种环境友好的再生能源制备技术。本文介绍了近年来在光催化分解水方面的一些研究工作,对目前国内外光催化分解水制取氢气和氧气的一些基本评价体系、光催化剂类别进行了整理分类,重点描述了光催化制氢原理、光催化分解水体系、光催化制氢材料类型、光催化设计等工作。对未来光催化分解水的研究工作进行了展望。

摘要：光催化还原二氧化碳制备太阳燃料是太阳能转化与利用的主要发展方向之一,其核心是构建高效的光催化反应体系.本文介绍光催化还原二氧化碳反应的基本原理与改善能量转化效率的主要途径,综述了微结构设计、晶体工程、电子结构设计等改善光催化材料催化活性的方法,探讨光催化反应中的基本物理化学问题以及高效光催化材料开发的主要策略.分析了影响能量转换效率的关键因素及开展光催化反应热力学与动力学研究的重要性,评述了几种新型光化学还原CO_2的反应,展望了该领域的未来发展方向.

摘要：与植物光合作用相似,Z型光催化材料体系是由电子传输介质、光还原剂和光氧化剂组成的双光子体系,其应用于光催化反应具有很大的优势:借助双光子激发过程,在不同光催化剂上分别完成氧化反应和还原反应,有效促进了光生电荷的分离和迁移.Z型反应体系中的光催化剂只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应,为光催化材料的选择和设计提供了很大的空间.光催化还原位点和氧化位点分别在两个光催化半导体上,还原和氧化过程相互分离,可以有效抑制逆反应的发生.同时,催化材料光还原剂中的光生空穴被来自光氧化剂中的光生电子复合,光催化体系的稳定性随之增强.Z型光催化材料体系,表现出了宽光谱响应,高稳定性,高光生载流子的分离效率,强氧化还原能力,具有广阔的应用前景.

摘要：The stems of water convolvulus were employed as biotemplates for the replication of their optimized 3D hierarchical architecture to synthesize porous MgO-modified TiO2 . The photocatalytic reduction of CO2 with H2O vapor into hydrocarbon fuel was studied with these MgO-TiO2 nanostructures as the photocatalysts with the benefits of improved CO2 adsorption and activation through incorporated MgO. Various factors involving CO2 adsorption capacity, migration of charge carriers to the surface, and the number of activity sites, which depend on the amount of added MgO, determine the photocatalytic conversion efficiency.

摘要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量效率和高能量密度、低温快速启动、结构紧凑、无污染、低噪声等优点,在氢能汽车、固定式电站、水下潜艇和通讯电源等方面具有广泛的应用前景.目前影响燃料电池商用化的主要问题是成本和寿命,特别是在工况下急剧的启停、干湿、温度等变化,以及随之带来的机械及电化学老化,严重影响了燃料电池核心部件膜电极的耐久性和稳定性,导致燃料电池寿命大幅度下降.动态负载下燃料电池的寿命较短,距离燃料电池汽车商业化目标寿命仍有较大距离.因此,开发快速有效的膜电极加速老化测试程序,研究膜电极的耐久性,揭示燃料电池失效机理,寻找解决措施,对提高燃料电池使用寿命,推动燃料电池技术商业化,实现国民经济可持续发展具有重大意义.本文通过对比研究膜电极老化测试,从催化材料、质子交换膜以及启停控制策略应用等方面,分析电极、质子交换膜等关键材料的衰减物化机理,从材料科学领域深入探讨提升关键材料耐久性的方法及机理.为燃料电池的各部件制备与设计完善评价体系,推进燃料电池商用化发展.

摘要：在燃料电池阴极催化剂的研究中,FeNx/C材料与目前广泛应用在燃料电池中的Pt基催化剂相比,不仅价格低廉,而且表现出良好的氧还原催化活性.尽管如此,设计合成性能高、成本低的FeNx/C催化剂仍面临巨大挑战.在此,作者提出废物利用的方法,以三聚氰胺甲醛树脂固体废物为前驱体,合成了具备介孔结构和较大的比表面积的非贵金属催化剂.经酸性条件半电池测试,这种电催化剂的氧还原催化活性接近5%商业Pt/C性能.本文工作为三聚氰胺甲醛树脂固体废弃物处理提供了新思路.

摘要：针对空气自呼吸式(Air breathing)直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)阴极直接暴露在空气中的特性,重点研究了不同空气环境条件下例如湿度、温度等因素对电池性能的影响.结果表明,DMFC对环境湿度的变化并不敏感,这是由于阳极侧甲醇溶液中水的渗透使得质子交换膜和阴极一直保持相对稳定的水含量.又从可视化方法发现,反应生成的水在阴极大部分以液态形式存在,靠重力的因素排出电池,这对阴极集流板的结构设计具有重要的指导作用.此外,环境温度对电池性能具有明显的作用.环境温度为40℃时,单电池的最大功率密度接近30 ***-2,是10℃时电池功率密度的3倍.

摘要：在进化的过程中,生物体学会了利用材料来改造自身以适应环境的变化。自然界中的一些生物体可以通过生物矿化合成无机纳米材料为自己提供保护或其他特殊功能。但是自然界中还有部分生物体不具备生物矿化功能,受到自然界生物体利用纳米材料的启发,科学家们开始尝试通过人工赋予生物体纳米材料来对其进行改造。本文就基于生物-材料界面复合技术的纳米材料对生物体的改造,依次从调控机制、改造方法、功能应用等方面做了系统的阐述,重点介绍了通过仿生矿化对生物体进行纳米改造的研究进展,对仿生无机纳米材料改造生物体的领域现状做了分析和总结,并且对该领域的发展前景进行了展望。

摘要：基于无机材料-微生物复合半人工光合系统是在自然光合作用和人工光合作用研究进展到一定阶段,为克服各自的缺陷,实现微生物与无机材料优势互补而发展出来的一种研究体系。该体系的主要优势是将微生物的催化选择性与无机材料的光响应性结合起来,旨在解决人工光合作用体系催化选择性差的问题。目前,可以通过光催化剂-微生物复合和电极-微生物复合来实现基于无机材料-微生物复合的半人工光合作用。本文围绕基于无机材料-微生物复合的半人工光合作用,依次从半人工水氧化、半人工光合还原和材料-微生物界面等方面做了系统的阐述,重点介绍基于电极-微生物复合的半人工光合体系研究进展,对基于无机材料-微生物复合的半人工光合作用的领域现状做了分析和总结,并且对该领域的前景进行了展望。

摘要：植物光合作用是吸收光能,把CO_(2)和水转化成富能有机物,同时释放氧气的过程.受此启发,利用太阳光将CO_(2)转化为碳氢燃料的人工碳中和技术引起了广泛关注.人工光合作用能否成功实施取决于光催化剂的设计制备.无机半导体已被广泛研究用于CO_(2)光还原反应(CO_(2)PRR),但其存在金属氧化物的带隙较宽且难以调节、导致光吸收较差和金属硫化物的光腐蚀问题严重等明显的缺点.此外,高载流子复合率和低比表面积会影响光催化效率,从而限制光子利用.因此,基于有机聚合物的无金属催化剂因其突出的可设计调控性而被提出,其中,具有超高比表面积的材料—多孔芳香骨架(PAFs)聚合物是研究热点之一,但是传统PAFs材料多为二维平面结构,用于光催化的无金属三维PAFs报道较少.此外,具有孤对电子的杂原子(N,B,F)修饰的材料可以与CO_(2)分子产生特定的偶极-四极相互作用,提高材料对CO_(2)的吸附和活化能力,是提升有机聚合物光催化剂性能的有效策略.本文采用Sonogashira-Hagihara偶联将具有不同共轭程度的芳香炔烃(2,2’,7,7‘-四乙炔基-9,9’-螺二芴,SPF-T;四(4-乙炔基苯基)甲烷,TEPM-T;1,1,2,2-四(4-乙炔基苯基)乙烯,TEPE-T)与含有N杂原子的Tröger碱聚合制备了具有三维结构的多孔芳香骨架聚合物X-TB-PAFs(X=TEPE,TEPM,SPF).通过X-射线衍射、红外光谱、13C核磁共振(NMR)以及1H NMR等表征手段验证了目标聚合物的成功合成.通过紫外-可见光谱和Mott-Schottky曲线测试研究了聚合物具体的能带结构,发现三种PAFs聚合物材料在热力学上同时满足光催化CO_(2)-CO的还原反应条件(Eθ=-0.51 ***,pH=7)和光催化H2O-O_(2)的氧化条件(Eθ=0.82 V ***,pH=7).V形骨架结构的Tröger碱(TB)单元和芳炔的结合赋予了聚合物刚性稳定的孔隙率以及较高的比表面积,材料中的多孔结构可以使其暴露更多的活性位点,三维框架结构为反应物接近活性位点提供了丰富的开放式空腔,这些都有利于材料对CO_(2)的捕获,增强催化剂对CO_(2)的吸附/活化能力.此外,炔基充当连接通道还可以增强体系的载流子迁移率,提升材料的光催化性能.密度泛函理论计算和光电性能测试结果表明,TB官能团引入带来的分子内极化和电子陷阱位点的优势,其与三维共轭网络结构一起协同调节了光生载流子的分离和反应位点分布.三种三维PAFs中,基于全共轭结构TEPE-T的TEPE-TB-PAF表现出最高效的光生载流子传输与分离效率,在没有助催化剂和牺牲剂的情况下表现出较好的光催化CO产率(194.50μmolg^(-1)h^(-1))和近乎单一的选择性(99.74%).全共轭TEPE-T的引入和分子内极化的存在可以促进框架内载流子的分离和迁移.材料中的电偶极矩(从负电荷到正电荷)指向TB中含有叔氮官能团的桥接位点,使其成为明确的催化反应位点.光电流和阻抗测试结果表明,TEPE-TB-PAF具有更好的电子-空穴分离能力和更小的电荷迁移位阻.三维框架构建产生的多重散射截面可以促进材料中的光子吸收,从而提高其光催化性能.理论计算和原位漫反射傅立叶变换红外光谱结果表明,材料中CO解吸的低能垒和*CHO形成的高能垒是TEPE-TB-PAF高CO产率和选择性的根本机制.综上,本文为多功能高效有机聚合物光催化剂的合成提供了有效途径,并为同时改善光催化剂的转化率和选择性提供了借鉴.