光催化合成氨水滑石基纳米催化材料的理性设计与性能调控

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51772305
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0208.无机非金属能量转换与存储材料
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Industrial procedure for the production of ammonia under high energy consumption condition stimulates the research into the development of sustainable industrial catalytic systems with high efficiency. Photocatalysis featured by its high catalytic efficiency in activating chemical bonding intensively under mild reaction conditions, has become a green technology with promising technical prospect. The development of catalysts with high activity for photocatalytic conversion of N2 to NH3 has important scientific significance and wide application prospect. In this project, ultrathin nanosheet catalysts will be controllably synthesized by using ultrathin layered double hydroxides (LDHs) as the study subject, through intercalating photoactive elements into LDH layer. By adjusting the composition of metal elements, the thickness of nanosheets, etc., the bandgaps and surface defects of LDHs can be controlled to optimize the performance of photocatalytic NH3 formation. In order to prevent the aggregation of LDHs nanosheets and improve their dispersion, LDHs nanosheets will be complexed with suitable supports (MoS2 nanosheets, etc.) with good carrier transporting performance. The photocatalytic synthesis of NH3 performance can be further optimized by controlling the exposure of active facets and dispersion of LDHs nanosheets on the support. Highly efficient LDH-based photocatalysts will be finally obtained, exhibiting excellent photocatalytic performance in reduction of N2 to NH3 under mild condition. Through combination the theoretical calculation with experiment study, the relationships between the structures of photocatalysts and their photocatalytic performance, and the photocatalytic reaction mechanism will be systematically investigated, which may provide general rules for the rational design of highly efficient photocatalysts for NH3 synthesis in future.
工业合成氨技术仍存在高能耗等问题,开发新型高效可持续固氮路线成为该领域的研究重点和挑战。光催化技术具有常温常压深度反应的特点,已经成为一种有重要应用前景的绿色技术。发展新型高效光还原氮气制备氨的光催化材料具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟以非贵金属水滑石(LDHs)纳米片为研究主体,通过在其层板中引入光催化活性元素,可控合成超薄纳米片催化材料,通过调控金属元素组成与纳米片厚度等,实现对LDHs能带结构和表面缺陷位等的调控,进而优化其光催化合成氨性能;为避免团聚,进一步提高LDHs的分散度,将其与具有良好载流子传输性能的载体材料(MoS2纳米片等)复合,通过调控LDHs纳米片的晶面取向和分散度,进一步优化其合成氨性能,最终获得高效光催化合成氨LDHs基纳米催化材料。采用理论与实验相结合的方法,系统深入地研究光催化材料的构效关系及光催化反应机理,为开发高效合成氨光催化材料提供设计准则。

结项摘要

光催化技术具有常温常压深度反应的特点,已经成为一种有重要应用前景的绿色技术。发展新型高效光还原氮气制备氨的光催化材料具有重要的科学意义和应用价值。本项目采用水热法、碱刻蚀等方法成功制备了一系列水滑石基纳米光催化剂,如Cu离子修饰ZnAl-LDH纳米片、碱刻蚀LDH纳米片、超小Cu2O纳米颗粒等。这些水滑石基光催化剂在光催化固氮合成氨方面表现出优异的催化活性,为开发和设计新型高效的水滑石基纳米光催化剂提供了新思路和新途径。代表性工作如下:1)发展了一种简便的铜掺杂方法实现了富含氧空位的ZnAl-LDH纳米片的可控制备,氧空位和衍生的富电子铜位点有助于光生电子-空穴对的分离/迁移和氮气吸附,最终使得光催化固氮合成氨速率大幅提升;2)利用Cu2+离子特殊的姜-泰勒效应,将Cu掺入TiO2晶胞中,促使Cu原子周围的氧原子丢失。通过控制进入晶胞Cu的含量,来实现TiO2中的氧空位浓度的精确调控,从而促进氮气吸附和活化,提高可见光催化固氮反应效率;3)利用水滑石的限域拓扑转变性质,采用抗坏血酸还原法制备了粒径尺寸均匀且小于三纳米的小尺寸氧化亚铜负载的水滑石纳米片催化剂。所制备的亚三纳米氧化亚铜含有丰富的捕获态不仅能加速光生载流子迁移速率,而且也能实现长寿命光生电子的形成。延长的光生载流子寿命和高度暴露的表面催化位点,能够和增强N2吸附/活化,从而展现了良好的可见光催化固氮合成氨性能;4)利用NaOH水溶液对ZnCr‐LDH、ZnAl‐LDH和NiAl‐LDH纳米片进行简单的预处理可以大大提高纳米片中的氧空位和低配位金属中心的浓度,从而显著提高了它们在UV-vis光照下将N2还原为NH3的光催化活性(无需添加牺牲剂或助催化剂)。这种简便高效的碱蚀刻策略有望在高性能LDH光催化剂的未来开发中被广泛采用;5)深刻分析了各种检测方法(靛酚蓝法、纳氏试剂法、离子色谱法和核磁法)在检测水性介质中痕量氨时的可靠性。基于一系列结果的分析,提出了精确定量氨的有效标准,避免了光/电催化氨合成中的不合理比较。

项目成果

期刊论文数量(35)
专著数量(0)
科研奖励数量(5)
会议论文数量(0)
专利数量(15)
Recent advances in niobium-based semiconductors for solar hydrogen production
用于太阳能制氢的铌基半导体的最新进展
  • DOI:
    10.1016/j.ccr.2020.213399
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
    Coordin. Chem. Rev.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Chao Zhou;Run Shi;Geoffrey I. N. Waterhouse;Tierui Zhang
  • 通讯作者:
    Tierui Zhang
Tuning Oxygen Vacancies in Ultrathin TiO2 Nanosheets to Boost Photocatalytic Nitrogen Fixation up to 700 nm
调节超薄 TiO2 纳米片中的氧空位以增强高达 700 nm 的光催化固氮
  • DOI:
    10.1002/adma.201806482
  • 发表时间:
    2019-03
  • 期刊:
    Adv. Mater.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yunxuan Zhao;Yufei Zhao;Run Shi;Bin Wang;Geoffrey I. N. Waterhouse;Li-Zhu Wu;Chen-Ho Tung;Tierui Zhang
  • 通讯作者:
    Tierui Zhang
Artificial photocatalytic nitrogen fixation: Where are we now? Where is its future?
人工光催化固氮:我们现在在哪里?
  • DOI:
    10.1016/j.mcat.2021.112107
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Molecular Catalysis
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Yunxuan Zhao;Yingxuan Miao;Chao Zhou;Tierui Zhang
  • 通讯作者:
    Tierui Zhang
Fe-Based Catalysts for the Direct Photohydrogenation of CO2 to Value-Added Hydrocarbons
用于二氧化碳直接光加氢生成增值碳氢化合物的铁基催化剂
  • DOI:
    10.1002/aenm.202002783
  • 发表时间:
    2021-02-09
  • 期刊:
    ADVANCED ENERGY MATERIALS
  • 影响因子:
    27.8
  • 作者:
    Li, Zhenhua;Liu, Jinjia;Zhang, Tierui
  • 通讯作者:
    Zhang, Tierui
Fe Single-Atom Catalysts on MOF-5 Derived Carbon for Efficient Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
MOF-5 衍生碳上的 Fe 单原子催化剂用于质子交换膜燃料电池中的高效氧还原反应
  • DOI:
    10.1002/aenm.202102688
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Advanced Energy Materials
  • 影响因子:
    27.8
  • 作者:
    Xie Xiaoying;Shang Lu;Xiong Xuyang;Shi Run;Zhang Tierui
  • 通讯作者:
    Zhang Tierui

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其他文献

Photochromic behavior of nanocomposite hybrid films of finely dispersed phosphotungstic acid particles into polyacrylamide
精细分散的磷钨酸颗粒与聚丙烯酰胺纳米复合杂化膜的光致变色行为
  • DOI:
    10.1023/a:1022302031156
  • 发表时间:
    2003-03
  • 期刊:
    J. Mater. Sci.(SCI收录,EI收录)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯威;张铁锐;刘延;卢然*;赵英英;姚建年
  • 通讯作者:
    姚建年
双长链烷基Dawson结构钼磷酸复合薄膜的制备、结构及光致变色性质,
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    高等学校化学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张铁锐;卢然;赵英英;姚建年等
  • 通讯作者:
    姚建年等
Keggin结构钨磷酸/聚丙烯酰胺复合物的制备及光性能研究,
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    高等学校化学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯威;张铁锐;刘延;卢然;赵英英;姚建年
  • 通讯作者:
    姚建年
Preparation of Au nanoparticles in the presence of low generational poly(amidoamine) dentrimer with surface hydroxyl groups
表面羟基低代聚酰胺基树枝状三聚体制备金纳米粒子
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Mater. Chem. Phys.(SCI收录,EI收录)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    包春燕;金明;卢然*;张铁锐;赵英英
  • 通讯作者:
    赵英英
Mechanism study of Au nanoparticle functionalized plasmonic photocatalyst
Au纳米粒子功能化等离子体光催化剂的机理研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    影像科学与光化学
  • 影响因子:
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  • 作者:
    曹溢涛;吴骊珠;佟振合;张铁锐
  • 通讯作者:
    张铁锐

其他文献

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张铁锐的其他基金

水滑石基太阳光催化固氮体系设计
  • 批准号:
    52120105002
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    250 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
光催化合成气制低碳烯烃Ni基催化材料的理性设计合成和性能调控
  • 批准号:
    U1662118
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  • 项目类别:
    联合基金项目
可见光响应氮掺杂钽基纳米半导体光催化剂的可控制备及光解水制氢性能研究
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    51572270
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可见光响应型半导体基介孔纳米晶复合微球光催化材料的可控制备及其光催化性能研究
  • 批准号:
    51172245
  • 批准年份:
    2011
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    60.0 万元
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    面上项目
二氧化硅颗粒可逆的组装与解组装介导的光控开关催化
  • 批准号:
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  • 批准年份:
    2011
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  • 批准号:
    20901081
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    25.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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相似海外基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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