北科大王戈&圣安德魯斯大學John T. S. Irvine Chem. Sci.：納米孔鈣鈦礦型金屬氧化物的合成與應用

【引言】

在過去的幾十年里，鈣鈦礦型金屬氧化物由于具有成分多樣性和結構性能（氧化還原行為、氧離子遷移、電子和離子導電性）獨特的特點，在很多領域得到了廣泛的應用。最近，納米孔鈣鈦礦型金屬氧化物因其獨特的形貌、性能和應用潛力得到了大量的關注。

近日，北京科技大學王戈教授和英國圣安德魯斯大學John T. S. Irvine教授等人在Chemical Science上發表了一篇題為“Synthesis and applications of nanoporous perovskite metal oxides”的綜述文章（第一作者為北京科技大學黃秀兵講師）。本綜述總結和概括了納米孔鈣鈦礦型金屬氧化物的不同合成方法和其應用的研究進展，以及納米孔結構和鈣鈦礦氧化物性能的相關性。最后，本綜述展望了納米孔鈣鈦礦型金屬氧化物的一些可能研究方向。

1. 納米孔鈣鈦礦氧化物的合成方法

本綜述首先總結了制備方法如軟模板法、硬模板法、膠態晶體模板法、靜電紡絲和水熱法等在制備納米孔鈣鈦礦型氧化物的研究進展，并歸納了這些方法在納米孔鈣鈦礦氧化物制備中的優缺點。

圖 1 介孔LaFe_xCo_1-xO₃材料的合成示意圖及其形貌

（A）介孔LaFe_xCo_1-xO₃的合成示意圖；

（B）介孔LaFe_xCo_1-xO₃的顯微結構圖。

圖 2 有序大孔結構的三種膠態晶體模板

（上）移除模板后，膠態晶體中浸漬前驅材料制備的3DOM結構；

（中）移除模板后，均勻納米球和納米顆粒共沉淀制備的3DOM結構；

（下）核殼結構自組裝成周期納米簇，形成緊密堆積的中空殼層。

圖3 介孔SrTiO₃的生長和形貌的演變機制

（a-c）介孔SrTiO₃的TEM圖像；

（d-f）介孔SrTiO₃的EDS圖譜；

（g）介孔SrTiO₃納米線的形成機制示意圖。

圖 4?納米孔鈣鈦礦氧化物合成方法的總結

2. 納米孔鈣鈦礦氧化物的應用

納米孔鈣鈦礦型氧化物具有高的比表面積、高的熱穩定性、好的氧化還原反應能力、優異的電子/離子導電率及氧離子遷移率等特點，在能源、環境等領域具有很好的應用潛力。本綜述總結歸納了納米孔鈣鈦礦氧化物在化學催化（揮發性氣體燃燒、碳煙氧化、CO₂干燥重整甲烷、NO選擇性還原、液相Friedel-Crafts芐基化反應和甲烷水蒸氣重整制氫等）、電化學催化（固體氧化物燃料電池、低溫燃料電池、金屬空氣電池的電極）、光催化（光催化降解、光催化分解水和CO₂還原）及其他領域（太陽能電池電極材料、氣體傳感器等）的應用研究進展。同時，本綜述也指出了納米孔鈣鈦礦氧化物在應用中的優勢與挑戰。

3. 結論與展望

本綜述最后總結了納米孔與非納米結構鈣鈦礦氧化物之間在結構與性能上的相互關系。納米孔鈣鈦礦氧化物因其高的比表面積、更多的活性位點、獨特的表面性能、反應物的快速分散性，在SOFCs、金屬-空氣電池、光催化降解等領域具有很好的性能表現。但還有一些問題有待進一步研究，例如納米孔鈣鈦礦氧化物的結晶度與其在光催化電解水和CO₂還原等領域的相互關系，其他金屬（氧化物）修飾或摻雜對納米孔鈣鈦礦氧化物性能的影響規律等。

近年來，鈣鈦礦負載溶出型納米顆粒得到了廣泛關注。但目前鈣鈦礦負載溶出性納米顆粒一般采用高溫原位還原的方法，而納米孔鈣鈦礦氧化物在高溫下一般難以保持納米孔結構。因此，如何在納米孔鈣鈦礦氧化物上原位溶出具有高活性的金屬納米顆粒，并深入研究其在化學催化、電化學及光催化等領域的組成-結構-性能之間的相互關系具有重要意義。

本工作得到了國家重點研發計劃（2016YFB0701100）及英國工程和自然科學研究委員會項目（EP/K036769/1）等項目的資助。

4. 通訊作者介紹

王戈，教授，博士生導師，2002年于美國Michigan Technological University化學系獲得理學博士學位，2012年被聘為教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，2013年入選國家百千萬人才工程，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號。在Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Catal.等國際期刊發表SCI收錄論文140余篇。研究工作先后被ACS News, Nanotechweb, Science Daily等多家美國、英國、中國的科研及新聞媒體做專題報道或亮點評述。多次擔任功能材料及交叉領域國際會議的聯合主席、組委會副主席及科學委員會委員，并在多個國內外學術會議上做特邀報告。2011年獲北京市科學技術獎二等獎（第一完成人），2016年獲高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎一等獎（第一完成人）。主要研究方向包括新型催化材料和節能儲能材料。

John TS Irvine教授現任英國圣安德魯斯大學化學學院教授、英國皇家化學會會士(FRSC)、英國愛丁堡皇家學會會士(FRSE)。Irvine教授被英國皇家化學會授予Wolfson Research Merit Award (2012-2017)、RSC Sustainable Energy Award (2015)、RSC Materials Chemistry Award (2008)和Francis Bacon Medal (2003)。Irvine教授的研究方向包括燃固體氧化物料電池、電極材料、光催化、儲氫材料等，主要以無機固體化學和高溫電化學為基礎，發展高性能高溫電化學能量轉換器件以及相關材料。Irvine教授以通訊作者在包括Nature（3篇）、Nature Materials（5篇）、Nature Chemistry（1篇）、Nature Energy（1篇）和Nature Communications（4篇）等國際高水平期刊上發表論文460余篇，他引次數為22000余次，并獲得多項國際專利。

文獻鏈接：Synthesis and applications of nanoporous perovskite metal oxides（Chem. Sci., 2018, DOI：10.1039/C7SC03920D

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