過渡金屬磷化物作為高效電解水析氫及加氫催化劑
發(fā)布時間：2022-01-26 19:33
<正>從摩擦生火以點(diǎn)燃薪柴取暖,到以煤炭為原料的蒸汽機(jī)的發(fā)明,再到以汽油和柴油為原料的內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和大規(guī)模應(yīng)用,能源的發(fā)展有力地推動了人類社會的發(fā)展和工業(yè)文明的進(jìn)步。隨著社會的發(fā)展,人類社會對于能源的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長狀態(tài)。而煤炭、石油、天然氣這些化石能源在地球上的儲量是有限的。迫在眉睫的能源危機(jī)迫使人們尋求新型可再生能源。另一方面,大量使用化石能源所引發(fā)的環(huán)境問題也不容忽視,
【文章來源】：科學(xué)觀察. 2020,15(06)
【文章頁數(shù)】：3 頁
【部分圖文】：
自2013年以來過渡金屬磷化物催化水分解析氫相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計
在析氫過程中，溶液中的質(zhì)子會在過渡金屬磷化物表面結(jié)合一個電子形成吸附在電極表面的活性氫原子（H*），并通過后續(xù)反應(yīng)最終形成氫氣（圖2）�；诖耍覀冊O(shè)想以水為氫源，直接利用水電還原所形成表面吸附的活性氫，有望在室溫常壓下實(shí)現(xiàn)對有機(jī)化合物的加氫，從而避免使用危險的氫氣或其他氫源。最近，我們以過渡金屬磷化物在電還原條件下形成的吸附活性氫為氫源，在室溫、水相的溫和條件下，高效、高選擇性地實(shí)現(xiàn)了多種類型有機(jī)物的氫化反應(yīng)（圖2），并得到了一系列高附加值的產(chǎn)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，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)電位，Co P納米片能夠可控地還原硝基芳烴為氧化偶氮、偶氮和胺類芳香化合物。而Pd P則能夠在低電位下高選擇性地實(shí)現(xiàn)苯乙炔的半加氫從而得到苯乙烯。特別值得一提的是，通過將反應(yīng)中的水替換為氘代水，還能在還原的同時獲得氘代產(chǎn)物。由于同位素效應(yīng)，氘代產(chǎn)物在合成化學(xué)、材料科學(xué)以及制藥方面都有重要作用。這一高效、環(huán)境友好的有機(jī)合成新策略將引領(lǐng)過渡金屬磷化物的下一個研究熱潮。從電解水析氫到利用吸附的活性氫進(jìn)行有機(jī)電合成，過渡金屬磷化物在電還原反應(yīng)方面不斷取得新突破。而在其他領(lǐng)域，如加氫脫氧、電解水析氧、CO2還原、超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空電池等能源轉(zhuǎn)換和儲存領(lǐng)域（圖3），過渡金屬磷化物也表現(xiàn)出了良好的反應(yīng)活性和廣闊的應(yīng)用前景（Energy Environ.Sci.,2020,DOI:10.1039/D0EE02577A）。大量國內(nèi)外研究人員不斷加入到過渡金屬磷化物的研究隊(duì)伍中來，極大地推動了過渡金屬磷化物材料的快速發(fā)展。
而在目前，盡管取得了巨大進(jìn)展，過渡金屬磷化物作為催化材料的研究仍然存在許多問題和挑戰(zhàn)。例如采用現(xiàn)有的方法合成過渡金屬磷化物時經(jīng)常使用劇毒易燃的物質(zhì)作為磷源，并且多數(shù)情況下會在反應(yīng)過程中產(chǎn)生PH3等劇毒物質(zhì)，因此亟需發(fā)展一種安全、綠色、普適的制備方法來制備過渡金屬磷化物。其次，過渡金屬磷化物在催化過程中的反應(yīng)機(jī)理尚未完全清晰，需要結(jié)合原位表征、高分辨電鏡、理論計算等先進(jìn)手段從分子乃至原子層面進(jìn)行深入研究。此外，盡管過渡金屬磷化物在電解水析氫方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但它們?nèi)圆荒軡M足工業(yè)化生產(chǎn)大電流、長時間、強(qiáng)堿性、50～80?C的生產(chǎn)強(qiáng)度，利用過渡金屬磷化物來實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)仍然有很長的路要走。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]NiCo雙金屬磷化物納米片的制備及其電催化性能[J]. 牛贊堯. 化工設(shè)計通訊. 2021(04)
[2]過渡金屬（Pd、Ni）表面修飾石墨烯增強(qiáng)其析氫性能[J]. 許家科,王虎. 新型工業(yè)化. 2021(02)
本文編號：3611049
【文章來源】：科學(xué)觀察. 2020,15(06)
【文章頁數(shù)】：3 頁
【部分圖文】：
自2013年以來過渡金屬磷化物催化水分解析氫相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計
在析氫過程中，溶液中的質(zhì)子會在過渡金屬磷化物表面結(jié)合一個電子形成吸附在電極表面的活性氫原子（H*），并通過后續(xù)反應(yīng)最終形成氫氣（圖2）�；诖耍覀冊O(shè)想以水為氫源，直接利用水電還原所形成表面吸附的活性氫，有望在室溫常壓下實(shí)現(xiàn)對有機(jī)化合物的加氫，從而避免使用危險的氫氣或其他氫源。最近，我們以過渡金屬磷化物在電還原條件下形成的吸附活性氫為氫源，在室溫、水相的溫和條件下，高效、高選擇性地實(shí)現(xiàn)了多種類型有機(jī)物的氫化反應(yīng)（圖2），并得到了一系列高附加值的產(chǎn)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，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)電位，Co P納米片能夠可控地還原硝基芳烴為氧化偶氮、偶氮和胺類芳香化合物。而Pd P則能夠在低電位下高選擇性地實(shí)現(xiàn)苯乙炔的半加氫從而得到苯乙烯。特別值得一提的是，通過將反應(yīng)中的水替換為氘代水，還能在還原的同時獲得氘代產(chǎn)物。由于同位素效應(yīng)，氘代產(chǎn)物在合成化學(xué)、材料科學(xué)以及制藥方面都有重要作用。這一高效、環(huán)境友好的有機(jī)合成新策略將引領(lǐng)過渡金屬磷化物的下一個研究熱潮。從電解水析氫到利用吸附的活性氫進(jìn)行有機(jī)電合成，過渡金屬磷化物在電還原反應(yīng)方面不斷取得新突破。而在其他領(lǐng)域，如加氫脫氧、電解水析氧、CO2還原、超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空電池等能源轉(zhuǎn)換和儲存領(lǐng)域（圖3），過渡金屬磷化物也表現(xiàn)出了良好的反應(yīng)活性和廣闊的應(yīng)用前景（Energy Environ.Sci.,2020,DOI:10.1039/D0EE02577A）。大量國內(nèi)外研究人員不斷加入到過渡金屬磷化物的研究隊(duì)伍中來，極大地推動了過渡金屬磷化物材料的快速發(fā)展。
而在目前，盡管取得了巨大進(jìn)展，過渡金屬磷化物作為催化材料的研究仍然存在許多問題和挑戰(zhàn)。例如采用現(xiàn)有的方法合成過渡金屬磷化物時經(jīng)常使用劇毒易燃的物質(zhì)作為磷源，并且多數(shù)情況下會在反應(yīng)過程中產(chǎn)生PH3等劇毒物質(zhì)，因此亟需發(fā)展一種安全、綠色、普適的制備方法來制備過渡金屬磷化物。其次，過渡金屬磷化物在催化過程中的反應(yīng)機(jī)理尚未完全清晰，需要結(jié)合原位表征、高分辨電鏡、理論計算等先進(jìn)手段從分子乃至原子層面進(jìn)行深入研究。此外，盡管過渡金屬磷化物在電解水析氫方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但它們?nèi)圆荒軡M足工業(yè)化生產(chǎn)大電流、長時間、強(qiáng)堿性、50～80?C的生產(chǎn)強(qiáng)度，利用過渡金屬磷化物來實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)仍然有很長的路要走。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]NiCo雙金屬磷化物納米片的制備及其電催化性能[J]. 牛贊堯. 化工設(shè)計通訊. 2021(04)
[2]過渡金屬（Pd、Ni）表面修飾石墨烯增強(qiáng)其析氫性能[J]. 許家科,王虎. 新型工業(yè)化. 2021(02)
本文編號：3611049
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