过渡金属磷化物作为高效电解水析氢及加氢催化剂
发布时间：2022-01-26 19:33
<正>从摩擦生火以点燃薪柴取暖,到以煤炭为原料的蒸汽机的发明,再到以汽油和柴油为原料的内燃机的发明和大规模应用,能源的发展有力地推动了人类社会的发展和工业文明的进步。随着社会的发展,人类社会对于能源的需求呈现爆发式增长状态。而煤炭、石油、天然气这些化石能源在地球上的储量是有限的。迫在眉睫的能源危机迫使人们寻求新型可再生能源。另一方面,大量使用化石能源所引发的环境问题也不容忽视,
【文章来源】：科学观察. 2020,15(06)
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
自2013年以来过渡金属磷化物催化水分解析氢相关论文发表数量统计
在析氢过程中，溶液中的质子会在过渡金属磷化物表面结合一个电子形成吸附在电极表面的活性氢原子（H*），并通过后续反应最终形成氢气（图2）。基于此，我们设想以水为氢源，直接利用水电还原所形成表面吸附的活性氢，有望在室温常压下实现对有机化合物的加氢，从而避免使用危险的氢气或其他氢源。最近，我们以过渡金属磷化物在电还原条件下形成的吸附活性氢为氢源，在室温、水相的温和条件下，高效、高选择性地实现了多种类型有机物的氢化反应（图2），并得到了一系列高附加值的产物（Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,12014-12017;Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,18908-18912;Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,18527-18531;Sci.Bull.2020,65,1547-1554;CCS Chem.2020,2,507-515;Natl.Sci.Rev.2020,7,285-295）。例如，通过调节反应电位，Co P纳米片能够可控地还原硝基芳烃为氧化偶氮、偶氮和胺类芳香化合物。而Pd P则能够在低电位下高选择性地实现苯乙炔的半加氢从而得到苯乙烯。特别值得一提的是，通过将反应中的水替换为氘代水，还能在还原的同时获得氘代产物。由于同位素效应，氘代产物在合成化学、材料科学以及制药方面都有重要作用。这一高效、环境友好的有机合成新策略将引领过渡金属磷化物的下一个研究热潮。从电解水析氢到利用吸附的活性氢进行有机电合成，过渡金属磷化物在电还原反应方面不断取得新突破。而在其他领域，如加氢脱氧、电解水析氧、CO2还原、超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、锂空电池等能源转换和储存领域（图3），过渡金属磷化物也表现出了良好的反应活性和广阔的应用前景（Energy Environ.Sci.,2020,DOI:10.1039/D0EE02577A）。大量国内外研究人员不断加入到过渡金属磷化物的研究队伍中来，极大地推动了过渡金属磷化物材料的快速发展。
而在目前，尽管取得了巨大进展，过渡金属磷化物作为催化材料的研究仍然存在许多问题和挑战。例如采用现有的方法合成过渡金属磷化物时经常使用剧毒易燃的物质作为磷源，并且多数情况下会在反应过程中产生PH3等剧毒物质，因此亟需发展一种安全、绿色、普适的制备方法来制备过渡金属磷化物。其次，过渡金属磷化物在催化过程中的反应机理尚未完全清晰，需要结合原位表征、高分辨电镜、理论计算等先进手段从分子乃至原子层面进行深入研究。此外，尽管过渡金属磷化物在电解水析氢方面表现出了优异的性能，但它们仍不能满足工业化生产大电流、长时间、强碱性、50～80?C的生产强度，利用过渡金属磷化物来实现氢气的大规模生产仍然有很长的路要走。
【参考文献】：
期刊论文
[1]NiCo双金属磷化物纳米片的制备及其电催化性能[J]. 牛赞尧. 化工设计通讯. 2021(04)
[2]过渡金属（Pd、Ni）表面修饰石墨烯增强其析氢性能[J]. 许家科,王虎. 新型工业化. 2021(02)
本文编号：3611049
【文章来源】：科学观察. 2020,15(06)
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
自2013年以来过渡金属磷化物催化水分解析氢相关论文发表数量统计
在析氢过程中，溶液中的质子会在过渡金属磷化物表面结合一个电子形成吸附在电极表面的活性氢原子（H*），并通过后续反应最终形成氢气（图2）。基于此，我们设想以水为氢源，直接利用水电还原所形成表面吸附的活性氢，有望在室温常压下实现对有机化合物的加氢，从而避免使用危险的氢气或其他氢源。最近，我们以过渡金属磷化物在电还原条件下形成的吸附活性氢为氢源，在室温、水相的温和条件下，高效、高选择性地实现了多种类型有机物的氢化反应（图2），并得到了一系列高附加值的产物（Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,12014-12017;Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,18908-18912;Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,18527-18531;Sci.Bull.2020,65,1547-1554;CCS Chem.2020,2,507-515;Natl.Sci.Rev.2020,7,285-295）。例如，通过调节反应电位，Co P纳米片能够可控地还原硝基芳烃为氧化偶氮、偶氮和胺类芳香化合物。而Pd P则能够在低电位下高选择性地实现苯乙炔的半加氢从而得到苯乙烯。特别值得一提的是，通过将反应中的水替换为氘代水，还能在还原的同时获得氘代产物。由于同位素效应，氘代产物在合成化学、材料科学以及制药方面都有重要作用。这一高效、环境友好的有机合成新策略将引领过渡金属磷化物的下一个研究热潮。从电解水析氢到利用吸附的活性氢进行有机电合成，过渡金属磷化物在电还原反应方面不断取得新突破。而在其他领域，如加氢脱氧、电解水析氧、CO2还原、超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、锂空电池等能源转换和储存领域（图3），过渡金属磷化物也表现出了良好的反应活性和广阔的应用前景（Energy Environ.Sci.,2020,DOI:10.1039/D0EE02577A）。大量国内外研究人员不断加入到过渡金属磷化物的研究队伍中来，极大地推动了过渡金属磷化物材料的快速发展。
而在目前，尽管取得了巨大进展，过渡金属磷化物作为催化材料的研究仍然存在许多问题和挑战。例如采用现有的方法合成过渡金属磷化物时经常使用剧毒易燃的物质作为磷源，并且多数情况下会在反应过程中产生PH3等剧毒物质，因此亟需发展一种安全、绿色、普适的制备方法来制备过渡金属磷化物。其次，过渡金属磷化物在催化过程中的反应机理尚未完全清晰，需要结合原位表征、高分辨电镜、理论计算等先进手段从分子乃至原子层面进行深入研究。此外，尽管过渡金属磷化物在电解水析氢方面表现出了优异的性能，但它们仍不能满足工业化生产大电流、长时间、强碱性、50～80?C的生产强度，利用过渡金属磷化物来实现氢气的大规模生产仍然有很长的路要走。
【参考文献】：
期刊论文
[1]NiCo双金属磷化物纳米片的制备及其电催化性能[J]. 牛赞尧. 化工设计通讯. 2021(04)
[2]过渡金属（Pd、Ni）表面修饰石墨烯增强其析氢性能[J]. 许家科,王虎. 新型工业化. 2021(02)
本文编号：3611049
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3611049.html
教材专著
