用于能源和环境应用的先进催化材料导论

《Nanoscale Advances》：Introduction to advanced catalytic materials for energy and environmental applicationsOpen Access

　　

研究人员感谢所有为本专题合集“用于能源和环境应用的先进催化材料”做出贡献的研究人员。本合集收录的所有研究工作涵盖了多相催化、电催化、光催化、环境修复和计算催化领域的广泛进展。这些研究均推动了催化材料科学的实验和理论基础，特别强调了用于可持续能源和化学转化过程的块体及纳米级催化剂的设计、合成、表征和性能评估。关键应用领域包括通过电催化途径制氢用于燃料电池技术、生物质增值、储能系统和有机电合成。特别关注了光催化材料、电催化材料和单原子催化剂（SACs）的开发。

**论文解读：用于能源和环境应用的先进催化材料导论**

**研究背景**
全球能源需求持续增长与环境挑战加剧，促使研究人员寻求高效、可持续的催化技术。传统催化材料在反应选择性、稳定性及资源利用效率方面存在局限，难以满足绿色化工与清洁能源转型的需求。多相催化、电催化、光催化等领域虽已取得进展，但催化剂的设计原则、结构-性能关系以及工业放大过程中的关键机制仍不明确。为此，本专题合集《Advanced Catalytic Materials for Energy and Environmental Applications》汇集了来自全球多个研究团队的成果，旨在通过实验与理论结合，推动催化材料科学的发展，为可持续能源转化和环境修复提供新策略。该合集论文发表于《Nanoscale Advances》。

**研究内容概述**
研究人员共收录了涵盖多相催化、电催化、光催化、环境修复及计算催化等多方面进展的论文。这些研究聚焦于块体与纳米尺度催化剂的设计、合成、表征及性能评价，重点应用于通过电催化路径制氢（用于燃料电池技术）、生物质增值、储能系统及有机电合成。特别关注了光催化材料、电催化材料及单原子催化剂（SACs）的开发。

**关键技术方法**
研究人员采用了多种先进表征技术，包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描电镜（SEM）、扫描透射电镜（STEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、同步辐射技术、拉曼光谱及穆斯堡尔谱，并运用原位和操作态（operando）方法研究催化剂合成、活化及预处理过程。此外，计算建模、人工智能和机器学习方法被用于理解、预测和优化催化材料、反应路径和催化机理。样本来源覆盖美国、巴基斯坦、中国、葡萄牙、墨西哥、印度、英国、沙特阿拉伯、荷兰、巴西、波兰、丹麦、泰国、韩国、希腊、日本、科威特、阿联酋、俄罗斯和南非等国家的研究人员。

**研究结果**
- **电化学氨合成**：研究涵盖了电化学氨合成路径，为低温低压合成氨提供了新思路。
- **硼氢化钠催化降解有毒染料**：应用硼氢化钠（NaBH₄）催化降解有毒染料，展示了高效去除污染物的潜力。
- **水凝胶基废水处理材料**：开发了基于水凝胶的材料用于废水处理，提升了吸附与催化降解效率。
- **铁基纳米结构合成与催化性能**：合成了铁基纳米结构并评估其催化活性，揭示了尺寸与形貌对性能的影响。
- **Pt/CeO₂催化剂上的甲烷干重整**：研究了Pt/CeO₂催化剂在甲烷干重整反应中的性能，探索了金属-载体相互作用。
- **选择性CO₂-to-CO转化**：实现了CO₂选择性转化为CO，为碳捕集利用提供了催化剂设计依据。
- **铜交换沸石上的稀甲烷氧化**：利用铜交换沸石催化稀甲烷氧化，揭示了活性位点与反应机理。
- **FeNi₃纳米颗粒的原位溶出**：通过操作态（operando）研究，观察了FeNi₃纳米颗粒在合成与反应过程中的溶出行为，阐明了结构演变与催化性能的关系。
- **氧化铈形貌对氧化还原及CO氧化活性的影响**：系统研究了氧化铈（CeO₂）的形貌对其氧化还原性能及CO氧化活性的影响，建立了形貌-活性关联。
- **负载孤立Pd配合物的催化行为**：分析了孤立Pd配合物在载体上的催化行为，提供了对单原子催化剂活性的理解。
- **Pd团聚尺寸在稀PdAu合金催化剂中的作用**：考察了Pd在稀PdAu合金中的团聚尺寸对催化性能的影响，为稀释合金催化剂设计提供了指导。
- **MFI型沸石用于乙醇脱氢制乙醛**：以MFI型沸石为催化剂，实现了乙醇脱氢制乙醛，展示了沸石在生物质转化中的应用。
- **聚氯乙烯（PVC）衍生的高微孔碳载体用于加氢处理**：利用废PVC制备高微孔碳载体，用于加氢处理反应，实现了废物资源化。
- **WO₃/Nb₂CT_x MXene 2D-2D异质结光阳极**：构建了WO₃/Nb₂CT_x MXene二维异质结光阳极，显著提升了光电化学性能。
- **激光合成铌基氧化物中的光催化过程机理**：通过激光合成铌基氧化物，研究了光催化反应机理，揭示了活性物种与界面电荷转移。
- **理论计算对Ni基重整催化剂中硫耐受性、氢吸附及过氧化氢吸附的原子尺度见解**：第一性原理计算揭示了载体诱导的硫耐受性机制、氢吸附行为以及H₂O₂在CeO₂表面的吸附特性，加深了对催化机理与稳定性的理解。

**总结讨论与结论**
补充的理论和计算贡献提供了对Ni基重整催化剂中载体诱导的硫耐受性、氢吸附现象以及过氧化氢在二氧化铈表面吸附的原子尺度见解，从而推进了对催化机理和催化剂稳定性的基本理解。该合集的研究成果深化了对催化材料结构与性能关系的认识，为设计高效、稳定的催化剂提供了理论指导，对可持续能源转化和环境应用具有重要意义。