本研究通过γ辐照与氮掺杂协同调控改性制备石墨炔，将二维石墨炔转变为一维管状结构并作为基底负载铁纳米粒子用于燃料电池阴极氧化还原反应（ORR）。运用扫描电镜、X射线衍射、拉曼光谱、等温氮气吸附和其他表征手段，对制备出的复合材料的表面形貌、元素组成、结晶结构、缺陷程度等进行了表征分析。在碱性溶液中，采用循环伏安测试、线性扫描伏安测试、电化学交流阻抗谱测试等电化学测试方法分析制备催化剂的ORR性能、动力学以及稳定性。结果表明：经γ射线辐照后，氮掺杂石墨单炔负载铁纳米粒子（NGY-Fe）催化剂具有更大的比表面积（411.3 m²/g）和多级孔结构，利于暴露出活性中心，O₂渗透屏障也有所下降，NGY-Fe的ORR活性显著提高，尤其是在稳定性与耐甲醇性上远优于市售的商业Pt/C催化剂。

为提升本科生实验教学水平，基于化学前沿成果服务于大气污染治理的理念，设计了类水滑石衍生物催化剂催化臭氧氧化VOCs中具有代表性的苯系污染物甲苯的综合实验。学生自主设计实验方案，采用不同制备方法结合高温煅烧技术制备类水滑石衍生物催化剂，并对其进行X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM、比表面积检测方法BET、H₂程序升温还原H₂-TPR、NH₃程序升温脱附NH₃-TPD、电子顺磁共振EPR等结构和理化性质表征。实验帮助学生理解材料化学在环保领域的实际应用，教会学生使用仪器分析手段解密构效关系，培养学生“宏微结合”的创新思维，也为科研课堂的开展提供了新思路。

锰铈氧化物由于较强的氧化还原活性、优良的低温脱硝性能, 已被广泛用于选择性催化还原(SCR)脱硝反应, 但是锰铈氧化物存在活性组分易团聚、比表面积较低等问题, 限制其催化剂活性的提高。本研究以介孔结构的石墨烯基SiO₂(G@SiO₂)纳米材料为模板, 采用水热法制备了系列石墨烯基介孔锰铈氧化物(G@MnO_x-CeO₂)催化剂, 并考察了该催化剂在低温下(100~300 ℃)的SCR脱硝性能。结果表明, 与石墨烯基铈氧化物(G@CeO₂)相比, G@MnO_x-CeO₂催化剂具有较高脱硝活性。当Mn、Ce与模板G@SiO₂质量比分别为0.35、0.90时, G@Mn(0.35)Ce(0.9)催化剂的脱硝活性最佳, 220 ℃下NO转化率达到最高(80%)。添加适量MnO_x, 提高了G@MnO_x-CeO₂催化剂的比表面积、孔容, 降低了催化剂的结晶度; 并且MnO_x-CeO₂以纳米尺度(2~3 nm)较为均匀地分散于石墨烯片层表面。此外, 由于MnO_x与CeO₂之间存在协同作用, Mn原子可以部分替代Ce原子掺杂于CeO₂的晶体结构中形成MnO_x-CeO₂固溶体, 使G@Mn(0.35)Ce(0.9)催化剂表面存在较高含量的高价态Mn³⁺和Mn⁴⁺、Ce⁴⁺以及较高的化学吸附氧浓度, 从而展现出较高的脱硝性能。该工作为MnO_x-CeO₂基催化剂在低温NH₃-SCR中的实际应用提供了基础数据。

室内甲醛污染已成为影响人类生命健康的重要问题之一。以氧气为氧化剂的催化氧化甲醛技术以其条件温和、无毒副产物等优势而受到广泛关注, 但是开发经济高效的催化材料仍然面临巨大的挑战。本工作通过一步水热法制备了α-Ni(OH)₂, 并研究了其催化氧化甲醛机理。测试结果表明, 以水为溶剂、硝酸镍为镍源制备的α-Ni(OH)₂在室温下催化氧化甲醛效率最高, 达到71.2%。原位红外和理论计算分析发现, 由于α-Ni(OH)₂表面丰富的羟基官能团, 吸附的甲醛与α-Ni(OH)₂表面羟基之间存在强烈的相互作用, 增强了对甲醛的活化, 在无氧气条件下实现了甲醛氧化。另一方面, 不同条件处理的α-Ni(OH)₂的XPS分析证实了催化氧化甲醛的活性位点为Ni³⁺, 且氧气可加速Ni³⁺活性位点的回复。α-Ni(OH)₂表面羟基协同活性位点Ni³⁺促进了甲醛的催化氧化, 这与传统氧气解离为速控步的甲醛氧化反应路径明显不同。本研究提出了表面羟基协同活性位点促进甲醛氧化的反应机理, 为催化氧化甲醛技术的实际应用提供了理论基础。

针对TiO₂表面活性位点不足、反应动力学缓慢、CO₂还原产物中碳氢化合物的产率低以及选择性差等问题, 研究通过Pd催化氧还原法在缺氧环境中构筑了具有表面氧空位的一维单晶TiO₂纳米带阵列(Pd-Ov-TNB)。通过形貌结构、载流子行为及光催化性能分析, 探究了表面氧空位和Pd的氢溢流效应对光生载流子分离传输及还原产物选择性的影响。结果表明, Pd-Ov-TNB的CO₂还原活性强, 产物中CH₄、C₂H₆和C₂H₄的产率分别为40.8、32.09和3.09 µmol·g^-1·h^-1, 碳氢化合物的选择性高达84.52%, 在C-C偶联方面展现出巨大的潜力。其一维单晶纳米带结构提高了材料的活性比表面积和结晶度, 为CO₂还原反应提供了更多的活性位点, 并加速载流子的分离传输。同时, 氧空位增强了光生电荷的表面积累, 为CO₂还原提供了富电子环境。此外, Pd纳米颗粒提高反应体系中H*的浓度, 并通过氢溢流效应将H*转移到催化剂表面吸附CO₂的活性位点, 促进反应中间产物氢化。各种优势共同作用促使CO₂向碳氢化合物高效转化。

制备高效稳定的光催化剂对于光催化技术的发展至关重要。本研究采用超声辅助沉积加低温煅烧的方法制备了2H相MoS₂/g-C₃N₄ S型异质结光催化剂(MGCD), 并综合考察了材料的相结构、微观形貌、光吸收性能、X射线光电子能谱、电化学交流阻抗和光电流等对光催化性能的影响。结果表明: 经过超声辅助沉积-煅烧处理, MoS₂微米球发生破碎分散结合在g-C₃N₄纳米片层表面上并形成异质结。可见光下5%MGCD(添加5% MoS₂)对罗丹明B(RhB)在20 min时的降解率达到了99%, 且样品重复使用5次后对RhB的降解率仍能达到95.2%, 表现出良好的光催化性能及稳定性。从内建电场形成的角度进一步分析表明, 异质结中MoS₂与g-C₃N₄间耦合形成的内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移, 并促进光生载流子的分离, 从而提高了光催化反应效率。异质结光催化剂的自由基捕获实验表明: O₂^-和·OH在催化降解RhB中是主要的活性物种, h⁺的贡献次之。

Cu/Mg-MOF-74具有比表面积高、微孔结构和碱金属活性位点可调、CO₂吸附性能及光催化活性优良等优点, 但其Cu与Mg物质的量比(简称: Cu/Mg比)对烟气中CO₂吸附选择性影响机制尚不清晰。本研究采用溶剂热法合成了不同Cu/Mg比的Cu/Mg-MOF-74, 表征了其CO₂光催化性能、CO₂和N₂吸附量及孔结构, 计算了Cu/Mg-MOF-74的CO₂吸附选择性, 并分析了Cu/Mg比对吸附量、选择性影响机制。结果表明：随着Cu/Mg比减小, Cu/Mg-MOF-74光催化CO₂还原为CO和H₂的活性先增后减, 当Cu/Mg比为0.6/0.4时, 其光催化还原CO和H₂产率最大, 分别为10.65和5.41 μmol·h⁻¹·g_cat⁻¹(1 MPa, 150 ℃); 随着Cu/Mg比减小, CO₂、N₂在Cu/Mg-MOF-74上的吸附量增加, 且CO₂吸附量增加显著, 当Cu/Mg比为0.1/0.9时, 其CO₂、N₂吸附量最大, 分别为9.21、1.49 mmol·g⁻¹(273.15 K, 100 kPa); 随着Cu/Mg比减小, Cu/Mg-MOF-74的微孔(d₁≥0.7 nm)、超微孔(d₂<0.7 nm)的面积、体积均增加, 当Cu/Mg比为0.22/0.78时, 其微孔、超微孔的面积、体积均大于Mg-MOF-74; 其选择性随Cu/Mg比减小和CO₂浓度增大而改善。CO₂在Cu/Mg-MOF-74上的吸附作用包括微孔填充和Mg²⁺化学吸附, 微孔体积是影响其吸附性能的关键。调整Cu/Mg比可调控Cu/Mg-MOF-74的孔结构、CO₂吸附量和选择性。

甲烷是对全球温升贡献仅次于二氧化碳的温室气体, 且其全球增温潜势是CO₂的80倍以上。在全球变暖和大气中甲烷含量不断增长的背景下, 完全催化氧化大气甲烷对于减缓温室效应和全球变暖具有重要价值。然而, 由于甲烷具有较高的结构稳定性, 在温和条件下将其催化氧化一直面临巨大的挑战。本文综述了近年来甲烷完全氧化在热催化、光催化以及光热协同催化三种反应条件下的研究进展, 热催化中高温增大了能耗并加速了催化剂的失活, 开发低温反应条件下的催化剂已经成为甲烷完全热催化的重点; 光催化提供了一种常温常压条件下利用光能氧化甲烷的方法, 但是相对热催化来说反应速率较低; 光热协同催化在光能和热能的协同作用下, 可实现温和条件下的甲烷高效完全催化氧化, 表现出潜在的应用前景。本文就三种反应催化剂的发展进行综述, 系统分析了不同反应的原理, 以及不同反应条件下甲烷完全催化氧化的优势与不足, 同时总结了催化氧化甲烷所面临的挑战, 并提供潜在的解决方案, 期望为今后的甲烷氧化研究提供借鉴。

光催化CO₂还原技术的关键是开发高效光催化剂, 而构建具有紧密界面结构的异质结是增强界面电荷转移, 实现高效光催化活性的有效途径。本研究采用静电纺丝技术结合水热法, 将Bi₄O₅Br₂纳米片镶嵌在CeO₂纳米纤维表面, 制得Bi₄O₅Br₂/CeO₂纤维光催化材料(B@C-x, x对应反应物的加入量)。利用不同方法表征其微观结构、形貌和光电性能。结果表明, 适当Bi₄O₅Br₂含量的Bi₄O₅Br₂/CeO₂异质结可以显著提高CeO₂纳米纤维的光催化性能。与纯Bi₄O₅Br₂和CeO₂相比, B@C-2在模拟太阳光下表现出最佳光催化活性, 不使用任何牺牲剂或共催化剂的条件下, CO生成速率达到8.26 μmol·h⁻¹·g⁻¹。这归因于Bi₄O₅Br₂和CeO₂之间的界面结合紧密以及构建的S型异质结, 使得光生载流子可以实现有效的空间分离和转移。本研究为定向合成Bi基S型异质结复合光催化材料提供了一种简便有效的方法, 为清洁能源转换探索了可行的途径。