悉尼大學Hamid Arandiyan&北工大戴洪興ChemComm專題綜述：有序多孔鈣鈦礦的研究進展

【引言】

鈣鈦礦型復合氧化物通式為ABO₃，在鈣鈦礦型結構中，A位通常為稀土元素，B位離子一般占據一個八面體結構中心，A位離子和氧離子組成一個面心立方格子。納米鈣鈦礦的研究雖然只有很短的歷史，然而所取得的研究成果表明納米鈣鈦礦在諸多方面表現出優越的性能，表現出方興未艾的應用前景。鈣鈦礦型復合氧化物（ABO₃）是頗受關注的催化材料，它作為催化燃燒、汽車尾氣凈化和煙氣還原脫硫催化劑均頗有前景。由于ABO₃有特定的晶體結構，一些研究認為ABO₃的催化活性與其比表面積成正比，即單位表面（組成一定）上的反應速率是相近的。由于比表面積小是ABO₃催化劑使用中存在的主要問題之一，所以近期有不少將ABO₃制成納米粒子等以提高其比表面積的報道。納米微粒由于尺寸小，表面占較大的體積百分數，表面的鍵態和電子態與顆粒內部不同，表面原子配位不全等導致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。而近年來對多孔，尤其是有序大孔和介孔鈣鈦礦的報道顯示，孔結構的引入能夠相當程度的提升鈣鈦礦比表面積和對應的催化活性。相關的研究發現：ABO₃比表面積增大，一方面CO和CH₄等在其上發生氧化反應的起始反應溫度降低，另一方面，單位表面上的反應速率具有較大的變化。這說明多孔ABO₃不僅比表面積增大了，其表面結構和性質也發生了變化，并導致了催化性能的變化。

【成果簡介】

近日，悉尼大學的Dr. Hamid Arandiyan與北京工業大學戴洪興教授（Prof. Hongxing Dai）在ChemComm合作發表題為 “Ordered Meso- and Macroporous Perovskite Oxide Catalysts for Emerging Applications” 的專題綜述文章（共同第一作者Hamid Arandiyan，王媛），文章概括了近年來多孔鈣鈦礦氧化物材料在能源轉化和多相催化的應用，詳細綜述了多孔鈣鈦礦氧化物的材料制備方法，表征手段以及其在多相催化和空氣電池中的應用。

這篇專題綜述是專家作者對其相關研究領域進行的綜述總結，文章主要以作者發表過的文章為典型范例，并結合個人研究觀點對領域熱點難點的分析概述。文章第一作者和通訊作者Hamid Arandiyan目前就職于悉尼大學（Senior Research Fellow），和此文共同通訊作者戴洪興教授（北京工業大學）同為有序大孔介孔金屬催化劑的制備表征領域研究學者，對該研究領域具有獨到的見解。文章共同第一作者為新南威爾士大學（澳洲）的王媛博士（Yuan Wang-UNSW），自2010年師從戴洪興教授，一直致力于有序孔材料的研究，共同參與文章的撰寫工作。

?【圖文導讀】

圖1：大孔、介孔鈣鈦礦制備示意圖

2 多孔鈣鈦礦氧化物的制備

2.1 模板制備

圖2：有序PMMA膠晶模板制備流程圖

Reprinted from Nature Communications, 2017, 8, 15553.

2.2 大孔鈣鈦礦的制備

圖3：三維有序大孔LaSrMnO₃鈣鈦礦的制備

Reprinted from Journal of Catalysis, 307, 2013, 327-339.

?2.3 介孔鈣鈦礦的制備

圖4：六足蟲介孔LaSrMnO₃鈣鈦礦的制備

Reprinted from Nature Communications, 2017, 8, 15553.

?2.4 負載貴金屬型多孔鈣鈦礦的制備

圖5：負載Ag的三維有序大孔LaSrMnO₃鈣鈦礦的制備

Reprinted from Journal of Physical Chemistry C, 118, 2014, 14913-14928.

3 多孔鈣鈦礦的新興應用

3.1 熱催化反應

3.1.1 揮發性有機物（VOCs）和一氧化碳氧化（CO）氧化反應

3.1.2 甲烷燃燒和二氧化碳甲烷化

圖6：負載Pt的三維有序大孔CeZrYO₂對甲烷的氧化反應

Reprinted from ACS Catalysis, 5, 2015, 1781-1793.

?圖7：負載Au-Pd雙金屬的三維有序大孔LaSrMnO₃對甲烷的氧化反應

Reprinted from ACS Catalysis, 7, 2016, 6935-6947.

圖8：六足蟲介孔LaSrMnO₃對甲烷的氧化反應

Reprinted from Nature Communications, 2017, 8, 15553.

圖9：表面褶皺有序大孔Ni/Co3O₄對二氧化碳甲烷化反應

Reprinted from Advanced Sustainable Systems, 2018, 2 1700119.

圖10：有序大孔Au-Pd-CoO/Co₃O₄對甲烷氧化反應

Reprinted from Environ. Sci. Technol., 2017, 51, 2271–2279.

3.1.3 煙氣燃燒反應

3.2 光催化反應

圖11：M/AgBr/3D-BiVO₄ (M=Au, Pt, Pd)對四氯酚的光催化氧化反應

Reprinted from Applied Catalysis B: 169, 2015, 274-282.

圖12：Pd/Fe₂O₃/BiVO₄對苯酚的光催化氧化反應

Reprinted from Nano Energy 27, 2016, 515-525.

3.3 鋰空氣電池

圖13：有序大孔CoFe₂O₄鈣鈦礦作為鋰氧電池正極材料

Reprinted from Nanoscale, 2017,9, 5119-5128.

圖14：介孔LaSrMnO在鋰空氣電池中的應用

Reprinted from Energy Environ. Sci., 2014,7, 2213-2219.

文獻鏈接：Hamidreza Arandiyan, Yuan Wang, Hongyu Sun, Mehran Rezaei, & Hongxing Dai, Ordered Meso- and Macroporous Perovskite Oxide Catalysts for Emerging Applications（Chem. Commun., 2018, DOI: 10.1039/C8CC01239C）

作者其他相關論文：

1. Wang, Y., Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Nature Communications, 2017, 8, 15553.
2. Wang, Y., Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Journal of Materials and Chemistry A, 5, 2017, 8825-8846.
3. Wang, Y., Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Advanced Sustainable Systems, 2018, 2 1700119.
4. Arandiyan, H., Dai, HX. et al. ACS Applied Materials & Interfaces, 8, 2016, 2457-2463.
5. Wang, Y., Dai, HX. et al. ACS Catalysis, 7, 2016, 6935-6947.
6. Arandiyan, H., Dai, HX. et al. ACS Catalysis, 5, 2015, 1781-1793.
7. Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Journal of Physical Chemistry C, 118, 2014, 14913-14928.
8. Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Journal of Catalysis, 307, 2013, 327-339.
9. Wang, Y., Dai, HX. et al. Chemical Engineering Journal, 226, 2013, 87-94.
10. Wang Y., Dai, HX. et al. Solid State Sciences 24, 2013, 62-70.
11. Arandiyan, H., Dai, HX. et al. Chemical Communications 49, 2013, 10748-10750.

本稿由Helena撰寫，特此感謝！

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