面向工业废水处理的催化电极及燃料电池耦合体系

随着我国工业化水平的提高,工业废水的高效节能处理成为废水资源化与能源化进程中的重点和难点.工业废水中常含有难降解或有毒的有机污染物,水质复杂、可生化性差,采用传统废水处理技术(生物法、物化法等)难以实现高效处理和达标排放,残留毒物排入水体带来环境生态风险.电化学技术借助电场作用产生强氧化性物质,氧化去除难降解有机污染物,但去除效率较低、能耗及运行成本较高,限制了其在实际废水处理中的应用.高活性催化电极在结构、形貌、组成的优化进展,为构建以难降解污染物为燃料的新型燃料电池及废水处理体系提供了新的可能.本文围绕催化电极及燃料电池废水处理体系,综述了新型电极材料的制备、优化,探讨了基底、活性成分及其负载方式对催化电极和体系性能的影响;归纳了基于光催化燃料电池和微生物燃料电池的污染物催化降解及实际或模拟废水处理体系的研究进展,并对该类耦合体系的规模化应用作了展望.新型催化电极的开发和耦合燃料电池体系的优化设计,有望推动该技术在高效、节能实际(工业)废水处理中的应用.     

水滑石多尺度结构精准调控及其光驱动催化应用研究

水滑石(LDHs)具有独特的层状结构、可调的组成、可控的粒径大小和形貌、简单的合成方法、易于放大生产制备等特点,使其具有丰富的可调控性;进一步经过拓扑转变,可制备得到复合金属氧化物、负载型金属催化剂,为设计具有能带结构适宜、表界面结构丰富的绿色、高效纳米催化剂提供了广阔的平台.针对温和条件下H-O,C=O,N≡N,C-C键光驱动催化活化,本文围绕"水滑石多尺度结构精准调控及催化过程强化"的主题,通过对水滑石微观精细结构、介观异质界面结构、高分散催化剂分散特性等方面进行精准调控,实现了水滑石基催化剂在光驱动分解H_2O,还原CO_2, CO加氢制高碳烃、合成氨以及降解环境污染物等反应的强化;揭示了基于能带、缺陷、界面可控的水滑石基材料制备-结构-光驱动催化性能之间的关系,从而为实现太阳能高效转化提供思路.     

环境催化——大气污染控制和预防的化学

以控制和预防大气污染为目的之一的环境催化科学和技术,在90年代有很大的发展.本文阐述了其中八个值得重视的研究方面.它们是富氧条件下消除NO_x的新催化剂和催化反应;消除SO_x及一步法消除SO_x、NO_x的催化途径;催化燃烧替代火焰燃烧以及挥发性有机组分(VOCs)废气的催化氧化;汽油车排气催化净化性能的提高和柴油车排气及黑烟微粒的催化消除;氯氟烃类(CFCs)催化分解和催化合成代用品;C0_2的催化合成利用;臭氧在低层大气中的催化消除;以及无害化催化过程的设计和有害化工路线的改造.     

缺陷化金属有机骨架材料的合成及其污染控制应用

金属有机框架(MOFs)由于具有高孔隙率、大比表面积以及可调的结构和组成等固有特性而在污染控制领域吸引了越来越多的关注.在MOFs的合成过程可设计和生成缺陷,其存在使材料在污染物吸附和催化降解方面具有优异的特性.本文着重于MOFs的缺陷分类,介绍了将缺陷引入MOFs的方法以及缺陷对MOFs理化性质影响方面的最新和重要进展,重点论述了缺陷MOFs作为吸附剂和催化剂在去除污染物方面的应用.基于此,提出了目前污染控制时缺陷MOFs存在的优缺点并提出了MOFs缺陷构造在环境应用方面未来的研究方向.     

层柱过渡金属氧化物

综述了近10年来层柱过渡金属氧化物的合成及应用研究进展。主要介绍无机氧化物柱撑的层状过渡金属氧化物的合成方法、结构和性能以及在催化领域中的应用研究状况，对材料制备过程的影响因素及其规律性以及在催化应用研究中所取得的重要结果进行了归纳，展望了该研究领域的发展方向。     

利用微粒过滤器同时催化去除柴油机微粒和NOx

通过在柴油机微粒过滤器(DPF)上涂覆复合金属氧化物催化剂Cu0.95K0.05Fe2O4,对同时催化去除柴油机排放的NOx和微粒(PM)反应特性及机理进行了研究.在程序升温反应过程中观察到NOx的还原和CO2的形成出现在相同的温度范围内,证实了在柴油机排气氧化气氛中同时去除NOx和PM反应的发生.柴油机微粒中的可溶有机成分(SOF)和固体碳粒(soot)分别在较低的温度和较高的温度下还原NOx,NOx浓度降低了18％左右.在催化剂作用下,PM的燃烧温度下降了150℃以上.微粒在不同气氛中的催化氧化燃烧活性为NO O2>O2>NO.该方法集PM的捕集、PM的氧化燃烧和NOx的还原等功能于一体,是一种有发展前途的柴油机排放后处理新技术.     

内燃机废气污染物与催化净化器研究

指出农用内燃机废气污染物的生成及治理办法.重点论述了催化净化器的工作原理、类型、结构特点及失败的主要形式.对催化净化器的性能进行了模拟气体试验与台架可靠性试验.     

碳酸脱水酶催化CO2可逆水化机制的理论研究

碳酸脱水酶(Carbonic anhydrase,CA)是一种含二价Zn的金属酶,对CO_2可逆水化这一重要过程具有极高催化活性.CA在CO_2可逆水化过程中的生理活性与催化机制是酶学、生物学和生物化学等学科关心的重要课题.CA催化CO_2可逆水化整体上包括以下4个过程:     

基于碳纳米复合材料的乳液催化新技术研究进展

碳纳米材料具有大的比表面积、发达的孔结构和丰富的表面化学性质,可与各种无机纳米材料耦合/复合构筑新结构、高性能、表面物理化学性质可调的碳纳米复合材料并用于乳液催化领域.本文介绍了固体颗粒乳化机理,影响乳化体系的因素及基于固体颗粒构建的乳液催化体系的基本原理;综述了氧化物、氢氧化物、碳素材料及其碳纳米复合材料固体颗粒乳化剂的特点,及基于这些固体颗粒构筑的乳液催化新技术的研究进展;指出了目前乳液催化技术研究存在的问题,认为基于碳纳米复合材料作为固体颗粒乳化剂的乳液催化新技术,是未来催化技术的重要发展方向之一.     

稀土化合物催化内酯开环聚合——Ⅰ.烷氧基稀土催化ε-己内酯聚合规律

聚ε-己内酯(PCL)能够被生物降解且降解产物对人体无毒,同时它与大多数高聚物有很好的相容性,因而已被开发用于药物载体材料、齿科材料、聚氨酯的新型原料及聚氯乙烯的长效增塑剂等.     

石墨烯基金属氧化物纳米复合结构材料的制备及应用于水体中污染物的吸附研究进展

石墨烯及氧化石墨烯材料具有良好的物理化学性质、巨大的比表面积,使其适合成为水处理中的吸附剂用于污染物的去除.石墨烯基金属氧化物纳米材料,兼具石墨烯和金属氧化物纳米粒子的固有特性,金属氧化物纳米粒子的存在不但阻止石墨烯的团聚,石墨烯基材料也进一步防止了纳米粒子的凝聚,两者共存产生协同效应,使复合材料具有更大的比表面积和吸附效能用于污染物的去除.本文综述了用于环境中污染物去除的石墨烯基金属氧化物的种类、不同复合材料的性能以及复合材料对水体中重金属离子、有机污染物的吸附性能等,探讨污染物去除机理,并进一步展望适合于不同种类污染物去除的石墨烯基金属氧化物的结构性能特点.     

酶催化过程的量子-经典力学研究进展

酶催化主要包括底物输运及其与活性位的结合、蛋白质限域环境中的化学反应以及产物释放等复杂的物理和化学过程,其中任一化学和非化学步都有可能决定酶的活性.通过量子/分子力学组合方法(QM/MM)计算和分子动力学模拟(MD),结合伞形采样,可以揭示酶催化过程的微观机理和底物输运的通道机制,分析底物进出口袋过程的热力学和动力学性...     

CuO-Fe2O3吸附水中酸性红B及其催化热解再生机制

采用共沉淀法制备出具有较强磁性和较大比表面积的CuO-Fe2O3复合氧化物, 并研究了其吸附偶氮染料酸性红B(ARB)及其通过催化热解有机物进行再生的性能.结果表明, 该CuO-Fe2O3复合氧化物在弱酸性条件下对酸性红B(ARB)有较强的吸附能力, 溶液中共存的Cl?对吸附基本没有影响, 而对吸附却影响显著.吸附后经磁分离, 可在300℃、空气气氛中催化氧化吸附质而使吸附剂再生, 吸附剂经连续7次吸附-再生使用, 性能稳定.用原位FTIR反射光谱法研究了偶氮染料酸性红B单独热解及在CuO-Fe2O3复合氧化物上热解的反应过程, 通过跟踪反应体系IR谱图随温度及时间的变化, 推断了反应历程及其产物.研究证明, 酸性红B在两种条件下的氧化反应有很大区别: CuO-Fe2O3复合氧化物对酸性红B的氧化有很强的催化作用, 不仅大大降低了染料的降解温度, 而且可使其发生完全氧化, 无有机副产物产生; 而对无CuO-Fe2O3吸附的酸性红B进行热氧化时, 需在较高温度下进行, 而且氧化不完全, 产生大量含N有害化合物.     

弱力能源开发及其自供能环境净化效应

地球生态系统存在广泛且低功率无序的分散能量,包括水流弱力、磁力扰动和生物活动等,尚未得到有效开发利用.常规化石能源通过集中发电再分散利用,是低熵能源的高熵利用,而回收转化利用广泛分散的环境弱力,可以将高熵能量直接高熵利用,是能源生产途径和利用方式的重要变革.环境弱力能源按介质可分为固体振动、液体流动和气体扰动,以机械能为表观形式,可以通过材料转化为电能,并应用于地球生态系统的环境净化,具备能源开发和环境净化双重效应.新材料和新技术研发是弱力能源转化利用的基础,涵盖了微弱能量捕捉、高效力电转换、电能原位利用3个过程,其中压电和摩擦催化发展迅速,具有巨大的应用和发展前景.压电催化材料中,钛酸钡、氧化锌、锆钛酸盐和聚偏氟乙烯复合薄膜等在机械搅拌或振动作用下发生压电催化反应,实现污染物降解、杀菌和清洁等功能.摩擦催化材料中,氧化锌、硫化铬、钴酸镍等半导体和聚四氟乙烯等高分子材料可发生摩擦催化反应,实现环境净化等功能.弱力能源未来发展中,需要将压电和摩擦电催化过程中的电压与电荷量进一步提升,厘定电场、电荷交换界面和反应物共同作用下的电荷交换行为,实现反应环境与催化材料匹配度提升.在“双碳”目标下...     

合成气转化中的接力催化

合成气(CO和H2混合气)作为十分重要的C1化学平台分子,将其高选择性地转化为碳氢化合物特定目标产物是C1化学核心.在经典费托合成过程中,C-C键的生长服从聚合机理,目标产物选择性低.近年来研究者通过设计金属(氧化物)和分子筛构筑的双功能或多功能催化剂,利用接力催化策略对不同反应进行耦合,成功实现了合成气高选择性制液体...     

Cu掺杂对Cu_2O/Si-NPA可见光催化性能的影响

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,采用溶液浸渍法并通过改变浸渍时间、温度和所用铜盐种类,制备了Cu_2O/Si-NPA,Cu_2O:Cu/Si-NPA(Cu_2O为主相),Cu:Cu_2O/Si-NPA(Cu为主相)和Cu/Si-NPA四种复合纳米结构,并对其表面形貌和微结构以及材料对甲基橙的可见光催化降解性能进行了表征.结果表明,对于面积为1.8 cm×2cm的样品,在光功率密度10 m W/cm~2,波长400~800 nm的可见光辐照100 min后,Cu_2O:Cu/Si-NPA对甲基橙的催化降解率达到~53.6%,较Cu_2O/Si-NPA提高~20%.降解率的提高被归因于Cu_2O中少量金属Cu的存在极大减少了光生电子被缺陷俘获或者与空穴复合的几率,从而有利于光生电子从材料内部到表面的传输,并藉此产生相对于纯相Cu_2O更高的活性含氧基团浓度.该研究结果为进一步提高Cu_2O可见光催化降解有机污染物的效率提供了一种可能的途径.     

封面说明

<正>挥发性有机物(VOCs)严重污染大气环境,危害人身健康.催化氧化法是消除VOCs的有效手段之一,其关键是高性能催化剂的研发.过渡金属氧化物(MOx)是一类高效的催化材料,但小的比表面积限制了其催化性能.将Mn+嵌入到高比表面积介孔分子筛骨架或将MOx负载到介孔载体表面上,可使Mn+和MOx呈     

NaAlH4贮氢材料中掺杂Ti的催化特性及机理综述

阐述了NaAlH₄贮氢材料中掺杂Ti的催化特性及反应机理, 对比分析了目前关于催化反应过程中的中间活性物质的不同学术观点, 并探讨了催化反应过程中可能的反应过程和机理. 分析总结认为, 对于NaAlH4贮氢材料中掺杂Ti催化反应机理的相关理论均有待于进一步的完善, 而该系列贮氢材料的掺杂Ti的催化特性及反应机理的研究将为其他金属络合物贮氢材料的催化剂设计提供有益的参考和借鉴.     

双核催化位低温高效脱除氮氧化物

<正>氮氧化物(nitrogen oxides,NO_x)是化石燃料燃烧过程中所产生的主要大气污染物之一,也是PM_2.5和臭氧的重要前体物^[1].控制NO_x的排放是国家“十四五”规划持续改善大气品质和环境质量的重大战略需求.氨选择性催化还原(selective catalytic reduction with NH₃,NH₃-SCR)技术是目前世界上应用最为广泛、最为成熟且最为有效的工业烟气脱硝技术^[2].SCR过程中主要发生如下反应:4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O,     

TiO_2@SiO_2负载MnPcS光催化降解有毒有机污染物

以正辛胺(n-octylamine,OA)为模板通过溶胶-沉淀法制备了TiO2@SiO2.以TiO2@SiO2为载体负载磺基锰酞菁(manganese phthalocyanine tetrasulfonic acid,MnPcS),制备了MnPcS-TiO2@SiO2复合体光催化剂.通过X射线衍射(XRD)和紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)对催化剂进行了表征.在可见光(λ420nm)照射下,以催化剂对有机染料罗丹明B(Rhodamine B,RhB)的催化降解和对无色小分子邻苯二胺(o-phenylenediamine,OPDA)的催化氧化为探针反应,探讨了MnPcS-TiO2@SiO2的光催化降解特性.通过对RhB降解过程中总有机碳(CODCr)的跟踪测定,评价了光催化对有机污染物的深度氧化(矿化)效果;以顺磁共振(ESR)测定RhB降解过程中氧化物种的变化,研究了光催化反应机理.结果表明,在实验条件下,MnPcS-TiO2@SiO2复合体光催化剂对RhB具有较好的光催化降解效果,可见光照240min能使RhB完全褪色,光照24h后RhB的CODCr去除率达到64.02%.ESR结果表明,降解过程主要涉及羟基自由基(·OH)和超氧自由基(O2-·)的氧化机理.