中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)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(wèn)題之一。因此，為了緩解能源危機(jī)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�(dú)涞瓤衫玫脑偕茉�，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(duì)此難點(diǎn)，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(duì)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?yàn)榉磻?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(jiàn)等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算，氧化鐵可以將16.8%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能，對(duì)應(yīng)于光解水過(guò)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(diǎn)，嚴(yán)重影響了氧化鐵實(shí)際光解水的效率。
因此研究人員計(jì)劃從提高光電流密度和降低起始電壓兩個(gè)方面來(lái)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(guò)渡金屬二硫?qū)倩衔铮ㄈ鏦Se2），該催化劑可設(shè)計(jì)出一種新型的太陽(yáng)能電化學(xué)催化反應(yīng)裝置，能在低過(guò)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(gè)過(guò)程廉價(jià)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(guò)催化劑實(shí)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(duì)催化劑微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究表征。
電子顯微法對(duì)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(duì)原位動(dòng)態(tài)納米結(jié)構(gòu)催化劑的研究起著重要作用。
同時(shí)，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(duì)新型催化劑的發(fā)現(xiàn)、反應(yīng)過(guò)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(jī)理，調(diào)控設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(zhǎng)和催化反應(yīng)過(guò)程中需要對(duì)晶面適時(shí)進(jìn)行調(diào)控，這就需要我們對(duì)晶體表面的微觀結(jié)構(gòu)、催化機(jī)理以及演變過(guò)程有更清晰地認(rèn)識(shí)。在2017年10月16-17日召開(kāi)的2017能源顆粒材料制備及測(cè)試技術(shù)研討會(huì)上，中國(guó)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(bào)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(guó)馬普學(xué)會(huì)Fritz-Haber研究所做博士后研究工作，2011-2013年中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 “葛庭燧獎(jiǎng)研金”學(xué)者，2013年至今，任中國(guó)科學(xué)院金屬研究所項(xiàng)目研究員。現(xiàn)為中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事。
研究領(lǐng)域：負(fù)載型催化材料設(shè)計(jì)合成、微觀結(jié)構(gòu)、催化性能及構(gòu)效關(guān)系研究。
