可持续催化研究进展：从材料到能源与环境应用 免费

《Journal of Materials Chemistry A》：Advances in sustainable catalysis: from materials to energy and environmental applicationsFree

　　

“可持续催化的进展：从材料到能源与环境应用”是一个综合性的主题合集，包含 100 多篇投稿，发表在《Journal of Materials Chemistry A》和《Materials Advances》上。本合集汇集了可持续催化的最新进展，这是一种多学科方法，旨在整合环境和经济维度，设计长期可行的催化过程。它专注于开发催化剂，以提高反应效率和选择性，同时通过环境友好型合成策略、将废弃物转化为高价值产品以及使用废弃物衍生材料，最大限度地减少环境影响。它还涵盖催化过程的优化，以解决关键环境挑战，并通过更高效、更协同的能源使用来减少能源消耗。本合集包含几篇综述文章，涵盖摩擦催化、CO₂ 还原、碳基材料、单原子催化、高熵合金和工程化异质结构系统等主题。^1–18 鉴于合集的广度，且无意详细讨论每一篇投稿，以下部分突出了几个贯穿整个合集的总体研究主题，并引用了一些论文作为代表性例子。

先进材料设计的创新

贯穿整个合集的一个主要主题是先进材料架构的设计，作为可持续催化过程的基础。在共价有机框架（基于 COF）和金属 - 有机框架（基于 MOF）的发展方面取得了显著进展，利用其高表面积和可调节结构，策略包括无溶剂合成、用于增强光催化过氧化氢生产的供体 - 受体架构，以及具有高度暴露活性位点以改善催化性能的二维 MOF 纳米片。^19–24 氮化碳^25–28 和基于氧化物/硫化物的材料^29–36 也受到了广泛关注，用于能量转换和环境修复的可持续热、光和电催化过程。高熵合金（HEAs）、单原子催化剂和碳基结构（例如碳纳米管）可作为本合集中的新型材料提及。^{10,12,14,16,37,38} 它们复杂的电子结构使得关键反应的可调多位点催化成为可能，包括氧还原、氢气（H₂）析出以及塑料衍生原料的电催化重整，以及其他催化应用。

氢能经济与能源转换

另一个主要主题是通过对 H₂ 生产和管理的高效催化技术的开发，推动 H₂ 经济的发展。^32,39–41 大量工作致力于水分解，包括设计创新催化剂，如以废弃可发性聚苯乙烯为模板的空心镍铁氧体纳米纤维用于氢气析出反应，以及结合芳香碳环以增强电荷分离的压电催化系统。^32,42 除了传统的水电解，还探索了替代的 H₂ 生产路线，包括基于碳催化剂的肼氧化作为低能量路径，以及过渡金属氧化物的优化用于选择性光电化学海水分解。^12,43 本合集还通过先进材料实现高效的 H₂ 同位素分离来解决 H₂ 管理问题，⁴⁴ 突出了疏水性介孔二氧化硅催化剂在核工业和工业应用中的作用。

大气污染缓解与环境修复

本合集还突出可持续催化在解决环境挑战中的核心作用，通过温室气体利用、空气污染控制和废水修复。在催化 CO₂ 转化方面取得了显著进展，包括 CO₂ 加氢生成轻烯烃，以及开发将可再生能源存储与 CO₂ 利用相结合的固体氧化物电解系统。^45,46 空气净化是另一个主要焦点，具有用于 NO_x 综合去除和 CO 氧化的创新催化系统。^9,28,47 与此同时，许多投稿展示了催化技术在水处理方面的潜力，^48,49 特别是通过双功能光催化系统，同时生产 H₂ 并降解有机污染物，¹⁵ 以及能够快速去除抗生素和染料的高级氧化过程。^50,51

废弃物与生物质的资源化利用

废弃物和生物质的资源化利用代表了合集内的另一个主要研究方向，反映了循环经济策略在可持续催化中的日益重要性。一些投稿展示了将废物流转化为有价值的化工原料，包括使用改性钴层硅酸盐催化剂，通过从 PET 中选择性生产对二甲苯来实现塑料废物的催化升级利用，⁵² 以及聚乳酸（PLA）的电催化重整为高附加值化学品。³⁷ 生物质转化也得到了广泛探索，包括从可再生 1,8-桉叶油生产平台分子如柠檬烯的可持续催化路线，⁵³ 生物乙醇升级为有用的大宗化学品，⁵⁴ 以及草酸二甲酯加氢获得含氧化合物。⁵ 本合集突出了可再生原料在化工行业中替代化石衍生资源的潜力。

结论

本主题合集展示了对可持续催化的强烈且日益增长的兴趣，它是解决全球能源和环境挑战的核心领域。它强调催化的未来植根于先进材料设计与可持续过程工程的整合。通过将催化剂开发的创新与材料可获得性、操作稳定性、可扩展性和生命周期结束管理的考虑相结合，这里汇编的研究概述了一条迈向更可持续和循环化工技术的连贯途径。在不同的投稿中，很明显催化的进步越来越不仅由活性和选择性驱动，而且由高效、耐用且与环境约束兼容的系统设计驱动。总的来说，这些进展强调了合理的催化剂设计、资源效率和环境责任如何汇聚，以支持一个更具韧性、低影响且真正可持续的化工行业，反映了所涵盖主题的高度相关性和跨学科兴趣。