摘要：天然气管道掺氢输送是当前氢能输送最经济有效的方式之一。然而,掺氢管材在临氢环境中服役时,管线内部的氢原子会渗透到管材中。服役过程中的高压氢环境、应力和腐蚀介质等因素也会对管线造成损伤,严重威胁掺氢管线的服役安全。基于上述问题,本文概述了管材与氢的相容性问题,从管材及焊缝组织的氢渗透行为和研究方法入手,分析了氢在管材内的吸附和扩散问题,并从影响因素等方面综述了掺氢管材及焊接组织的氢损伤形式和机理。研究结果可为掺氢天然气管材的选择、设计及安全服役提供理论基础,促进氢能经济的安全发展。

摘要：氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。

摘要：烯烃类化合物,如乙烯和丙烯,是工业生产的关键原料,它们可以通过选择性氧化转化为环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)等高附加值的化学品.目前,烯烃类化合物转化主要通过热化学途径实现,通常需要高温高压条件,并可能导致过度氧化生成CO_(2),因而选择性较低,且对经济和环境效益不友好.与此相对,电催化反应以电能作为驱动力,通过优化催化剂、电解液和反应电位等,有望在相对温和的条件下提高反应的选择性和能量效率,为高选择性烯烃氧化提供一种潜在策略.然而,当前烯烃的电化学选择性氧化的电流密度较低,整体生产成本相对较高,因此,有必要进一步研发高效且稳定的电化学选择性氧化烯烃的体系.本文综述了近期关于烯烃选择性电化学氧化的研究进展,研究主要集中在两个方面:一是烯烃在电极和电解液界面上直接进行电化学氧化的方法;二是通过电化学反应原位生成氧化剂(如Cl2和H_(2)O_(2))后,再对烯烃进行氧化的间接方法.对于烯烃的直接电化学氧化,反应的选择性可以通过调控几何效应和电子效应来优化.具体来说,通过引入如氯离子这样的物种,减少催化剂表面的可用活性位点数量,从而降低烯烃在催化剂表面的双位吸附,进一步降低过度氧化的可能性.此外,通过调整电催化剂的电子结构,改变其表面氧物种的电子性质,直接影响烯烃的加氧步骤,从而实现对反应选择性的精准调控.烯烃的氧化过程受限于其固有的缓慢反应动力学,导致直接电氧化所能实现的电流密度有限.为了提高该过程的速率,可以引入氧化还原介导物种来实现烯烃的选择性氧化.近期研究结果表明,卤素和过氧化氢作为介导物种在烯烃的选择性氧化反应中表现较好.利用先进的串联反应器技术,过氧化氢介导乙烯氧化为乙二醇的电流密度已经可以达到500m A cm^(–2).深入探索了烯烃电化学氧化的前沿研究方向.在烯烃的直接电氧化过程中,电催化剂的选择和性质对整体反应性能具有决定性影响.现有催化剂的化学成分、晶体学结构及合成方法上仍有较大的优化空间.尤为重要的是,关于烯烃电氧化的中间产物和反应途径,仍存在诸多争议.通过结合原位或在线的表征技术与密度泛函理论计算相结合,对反应机理进行深入探讨,将为反应体系的进一步完善提供理论支持.在间接氧化策略方面,反应器的设计与优化是研究的核心,旨在提升整体反应效率并确保经济效益.最后,进行技术经济分析为确定烯烃电氧化在特定条件下的经济效益提供有力依据.

摘要：二维(2D)过渡金属氧化物(TMO)的地球丰度高,并且具有独特的物理化学性质和较好的催化性能,是新能源工业领域中非常有应用前景的电催化剂.然而,由于合成高质量和可控厚度的2D TMO具有一定的难度,目前有关2D TMO的微观电化学研究的报道较少.本文采用化学气相沉积法直接合成了2D钴铁氧体(CoFeO),所制得的2D CoFeO呈现结晶性良好的超薄尖晶石结构,其最薄厚度可达到6.8 nm.采用超微电极测试平台考察了碱性条件下2DCoFeO催化析氧反应(OER)的性能.结果表明,2D CoFeO(111)面在10 m Acm^(-2)的电流密度下表现出330 m V的低过电位,在570 m V的过电位下表现出142 m Acm^(-2)的高电流密度.密度泛函理论计算发现2DCoFeO表面上的双金属位点降低了反应能垒.此外,2DCoFeO的超薄厚度使体电阻率降低,同时增加了活性位点的利用率,进而提高了对OER的催化活性,这与在超微电极平台上测得的2D CoFeO厚度-OER活性依赖关系的结果一致.本研究还合成了大面积的2D CoFeO薄膜,其标准三电极体系研究表明2D CoFeO样品仍然表现出较高的催化OER活性和较好的寿命,说明所制备的2D CoFeO具有较好的实际应用潜力.综上,本文采用气相化学沉积法直接合成了超薄2DCoFeO纳米片,其最薄厚度可达6.8 nm,2DCoFeO表现出良好的OER性能,为2DTMOs电催化剂的可控合成开辟了新途径.此外,本文还分析了2DCoFeO电催化OER反应的机理,为二维电催化剂设计提供了新思路.

摘要：现代社会对能源的需求日益增长,资源和环境问题凸显,因此,近几十年可再生能源(太阳能、风能、潮汐能等)的利用受到广泛关注.电催化作为一种常温常压下即可实现的能量和物质转换技术,与传统工业技术相比具有更高的能量利用效率.更重要的是,得益于可控的电子转移步骤和相应的中间介质,电催化过程还表现出比传统路线更高的选择性、不受能源间歇性影响等优点,因此特别适合可再生能源领域乃至工业生产的应用.在电催化过程中,催化剂和吸附物之间的相互作用(如结合、静电吸引和斥力)起着至关重要的作用,而这种相互作用受分子电性、荷电量、吸附物构型甚至吸附物的取向等因素影响.从更深层次上讲,电催化剂的局域电子结构影响了其自由电子的分布、转移和流动,并极大地影响着催化剂和吸附物之间的相互作用,从而影响催化性能.而对具有大比表面积、高表面原子占比的二维电催化剂材料而言,其基平面原子通常为热力学稳定状态,催化活性不高.因此,亟待通过局域电子结构的调控进一步提升其电催化性能.目前,针对二维材料在能源转换与存储方面的应用已经有了许多优秀的综述,但多关注于材料体系或者催化性能,对催化剂局域电子结构变化及其电催化性能的构效关系这一关键问题探讨尚不深入.因此,本文聚焦于二维电催化剂设计构筑过程中局域电子结构的调控策略,以课题组开展的几个电催化前沿方向为例,讨论了几种调控策略对催化剂局域电子结构的影响机制.本课题组基于非贵金属基二维材料电催化剂的设计合成及性能调控,针对析氢反应、析氧反应、氮还原反应、氮氧化反应以及二氧化碳还原反应开展了系列研究.研究工作的核心思想之一是选择性地“激活”二维电催化剂基平面原子,以实现在其高表面暴露原子的基础上增加催化活性位点数量.本述评在已有工作的基础上对二维电催化剂的局域电子调控及其电催化性能构效关系进行了全面总结.在单个原子尺度上,通过杂原子掺杂、单原子负载和空位等手段有效改变催化活性位点周边键合环境,进而实现对二维材料催化活性位点附近局域电子结构的调控.通过在二维材料表面构筑异质结构改变界面电子结构,不仅可以实现第二相或二维基体自身的催化活性增强,还可以获得二者的催化协同效应.通过对二维材料晶格进行变形,引入外加应力,也可以显著改变材料的电子结构,进而影响表面原子的催化活性.基于上述策略,本文深入阐述了局域电子结构变化对二维材料电催化活性的影响机制.综上,本文为二维电催化剂的综合优化设计提供了新思路.

摘要：水系锌离子电池(AZIBs)具有成本低、安全性高和金属锌资源丰富等特点,近年来受到学术界和工业界的广泛重视.但是,AZIBs在循环过程中不可避免地存在枝晶生长、析氢反应和腐蚀问题.作为AZIBs的重要组成部分,电解液结构的优化对于增强AZIBs的性能至关重要.本文系统地分析了AZIBs的电解液结构模型,将电解液结构分为溶剂化结构、氢键网络和电解液/锌阳极界面三部分,并且主要针对电解液中的溶剂化结构,从电解液浓度调控、添加剂工程和固态化设计等方面总结了电解液溶剂化结构调控策略.本文为今后进一步研究和提升AZIBs的综合性能提供了方向性指引.

摘要：羧甲基纤维素水凝胶分子内含有大量的羧基和羟基官能团,能够高效吸附水体中的有机污染物,同时由于水凝胶的易回收和生物相容性,目前已被广泛应用于印染废水处理。但传统的羧甲基纤维素水凝胶制备方法存在耗时长、成本高、污染重等问题。该实验设计结合我国资源化发展和环境保护需要,以纤维素水凝胶为原料,以水代替部分传统有机溶剂,开发出一种室温下快速制备羧甲基纤维素水凝胶的绿色合成方案。合成时间从44 h缩短至约4h,制备成本降低约95%,同时减少了化学试剂的使用,避免了二次污染。实验选用典型染料亚甲基蓝作为模型污染物,考察了羧甲基纤维素水凝胶对其在不同水体环境中的吸附性能。

摘要：由太阳能、风能和海洋等可再生能源驱动的工业级水分解产氢为能源和环境的可持续性发展开辟了一条极具潜力的道路。然而,在工业上最先进电解技术使用高纯水作为氢源,这将带来严重的淡水资源危机。海水分解为饮用水短缺提供了一条切实可行的解决途径,但仍面临规模工业化生产的巨大挑战。在这里,我们总结了海水分解的最新进展,包括反应机制、电极设计标准和直接海水分解的工业电解槽。深入讨论了应对海水电解中的关键挑战,如活性位点、反应选择性、耐腐蚀性和传质能力等的解决方案。此外,该文章重点总结了海水电解设备的最新发展,并提出了设计长寿命直接海水电解装置的有效策略。最后,我们对直接海水电解的未来机遇和挑战提出了自己的观点。

摘要：金属有机框架化合物(MOFs)是一类备受关注的多功能杂化材料,结构的多样性使其表现出各种发光性能。尤其是环境友好、使用寿命长、效率高的白光MOFs材料的出现为新型发光MOFs的设计和制备提供了契机。我们旨在总结白光MOFs的最新研究进展,着重对其合成方法及应用进行综述,主要包括镧系离子共掺杂、镧系元素封装或有机分子捕获等获得可调控的白光MOFs的方法及其在温度、分子和金属离子传感器等领域的潜在应用。同时,针对白光MOFs材料面临的挑战和未来发展也进行了梳理。以期引起设计和构建新型发光MOFs的研究人员的关注与兴趣。

摘要：随着全球能源需求增长和环境污染加剧,发展可持续能源减少对化石燃料(如石油、天然气和煤炭等)的消耗成为实现人类社会可持续发展的关键.氢能因其能量密度高、燃烧无污染、应用形式多样被认为是最理想的替代能源.电解水制氢包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER),具有绿色环保、生产灵活和纯度高等特点,是理想的绿色生产技术之一.然而,阳极电解水产氧反应动力学缓慢,导致阴极的产氢效率低.此外,在电解水过程中,会产生高氧化性的过氧化氢(H_(2)O_(2)),降低电解水膜的寿命,阻碍电解水技术的实际应用.因此,亟待开发新型高效、稳定且具有高附加值的电解水催化剂.目前,电化学整体水分解(OWS)制氢技术存在安全风险、投资回报低、阳极OER动力学慢和电能消耗大等问题,将阳极氧化反应与混合电解水(HWE)装置中的HER相结合,借助热力学较好的电氧化反应取代缓慢的传统OER反应协同产氢,可以有效克服传统电解水的产率不足,解决污染排放和生物质回收问题.本文综述了协同电催化用于联产氢气和低能耗、高法拉第效率高价值产品的催化剂结构设计,揭示不同协同电催化系统的催化途径和意义,以实现更高效、零碳排放的目标.首先,介绍了HWE系统的发展现状,重点关注各种富氢物质的协同电解,例如酒精、生物质衍生物、葡萄糖和在阳极形成的高附加值化学品.与传统阳极OER工艺相比,有机/生物质底物小分子的OER表现出较低的热力学需求,降低产氢能耗.随后,详细介绍了基于阴极HER和阳极OER协同电解反应、协同催化HWE高效电极/电催化剂的合理设计,以实现高催化活性、高选择性和良好的电化学稳定性.重点讨论了新型电极/电催化剂设计、活性改进以及结构-催化活性关系提升的合成策略.再后,讨论了基于有机/生物质小分子协同HWE系统电催化的代表性研究进展和突破,强调了其在促进可持续低压制氢方面的重要作用,并回顾了近年来HWE的研究突破,同时,对一些可行性分析和机理探索进行比较,为制氢提供了新的研究方向.最后,提出了协同电催化制氢面临的挑战并展望未来的研究方向.综上,大多数电催化剂存在催化活性低、稳定性差等问题,要实现可持续、经济高效和清洁的产氢技术,仍有很多方面需要进一步的深入研究.本文综述了高效多功能HWE系统发展现状和催化剂结构设计,为电解水制氢和高附加值产品的节能联产提供一定的参考.