张兵ACR综述:无机有机杂化材料协同转化合成高效水分解催化剂
张兵课题组 Yolerz 2018-06-27

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第一作者:于一夫

通讯作者:张兵

通讯单位:天津大学

 

核心内容:

1. 总结了无机有机杂化材料协同转化策略。

2. 列举了该方法在高效水分解催化剂方面的应用。

 

      创新和发展无机功能纳米材料的精准合成策略,研究其结构与宏观性能间的构效关系是无机合成化学和纳米固体化学研究中的前沿领域。在众多合成方法中,以无机固体材料为前驱物的化学转化法因可获得宏观维数与形貌可预测且用其它方法难以合成的无机纳米结构倍受研究者的重视。

 

      化学转化策略已经被广泛应用于合成各种组成、形貌和结构的无机纳米材料,但是,传统的化学转化方法往往针对于单一结构参数的调控,难以满足对于复杂结构目标材料精准合成的需要。因此,开发简便而通用的协同转化手段,实现精确控制无机纳米材料的不同结构参数具有重大挑战。

 

      最近,天津大学张兵教授课题组总结了其课题组以无机有机杂化纳米材料为前驱物协同转化合成无机纳米材料的相关工作。

 

      以无机有机杂化固体材料为反应物,使得化学反应优先发生在固/气或固/液界面,通过调节无机和有机组分在化学转化过程中间的相对反应速率和位置,精准合成了传统方法难以制备的具有全新结构的功能无机纳米材料,通过深入理解不同转化手段之间的竞争与协作关系,揭示了协同转化策略的机理,并系统总结了协同转化产物在光(电)与电催化水分解方面的应用。

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图1. 协同转化策略示意图

 

1. 合成方法

      无机有机杂化材料协同转化策略包括无机组分转化和有机组分剥离/转化两个方面。根据无机组分转化的方式不同,协同转化策略可以分为以下四种:


(1)离子交换和有机组分剥离耦合

       在耦合离子交换反应和有机组分剥离过程中,通过调控离子交换反应发生的速率,从而获得宏观维数可预测、组成与纳米结构可控的、其他液相方法难以获得的新材料。


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图2. 离子交换和有机组分剥离耦合策略示意图

 

(2)界面反应和有机组分剥离耦合

      通过调控界面反应速率,使得发生在无机有机杂化物界面的无机转化反应速率以及有机组分剥离速率与其内部不同,从而得到多孔或者空心结构的无机纳米材料。

 

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图3. 界面反应和有机组分剥离耦合制备多孔纳米材料示意图

 

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图4. 界面反应和有机组分剥离耦合制备空心纳米材料示意图

 

(3)氧化还原反应和有机组分剥离/转化耦合

      杂化前驱物中有机组分的分解产物可作为还原剂在无机产物中原位形成缺陷、孔结构和积碳层。


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图5. 氧化还原反应和有机组分剥离耦合制备多孔WO3-x―carbon示意图

 

(4)自组装和有机组分剥离耦合

       在有机组分剥离的同时产生的有机小分子诱导无机组分的自组装,从而生成具有等级结构的无机纳米材料。

 

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图6. 自组装和有机组分剥离耦合制备等级结构纳米材料示意图

 

2. 催化应用


       无机有机杂化材料的化学转化策略因可实现材料的能带结构、纳米多孔/超细等级结构与表面结构等的协同调控,可以满足高效光(电)催化水分解对催化剂的复杂要求。例如,以无机有机杂化纳米片作为前驱物,利用协同转化策略合成出一系列具有可调能带和可控纳米结构的新型光(电)催化材料,保证催化剂既能够有效吸收利用光,又能够促进光生电荷传输与有效分离。


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图7. 协同转化产物在光(电)催化水分解方面的应用

 

       以无机有机杂化物作为起始材料,利用协同转化策略合成出一系列具有可调电子结构、可控纳米结构和优化界面的新型电催化材料,保证催化剂高活性反应中心、高导电性和高活性比表面积。


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图8. 协同转化产物在电催化水分解方面的应用

 

      总之,本文总结了通过协同转化策略将无机有机杂化物可控转化为具有设计结构的功能无机纳米材料的最新进展及其在光(电)与电催化水分解方面的应用。通过深入理解不同转化手段之间的竞争和协作关系,揭示了协同转化策略机理。通过物理、化学、材料科学以及化学工程等多学科的交叉与合作,协同转化策略有望在精准制备结构可控、性能优异的功能无机纳米材料合成与应用方面实现突破。

 

参考文献:

Yifu Yu, Yanmei Shi, and Bin Zhang*, Synergetic Transformation of Solid Inorganic–Organic Hybrids into Advanced Nanomaterials for Catalytic Water Splitting, Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00193

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.8b00193

 

作者简介:

      张兵,天津大学化学系教授、博导。自独立工作以来,一直专注于无机氢能材料的设计、化学转化合成与构效关系研究。以通讯作者在Acc. Chem. Res.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Sci. Bul.Chem. Sci.Energy Environ. Sci.ACS Energy Lett.ACS NanoACS Catal.Chem. Soc. Rev.等期刊上发表了70余篇论文,受邀在Acc. Chem. Res.Chem. Soc. Rev.Catal. Sci. Technol.Chem. Rec.Inorg. Chem. Front.Dalton Trans.等期刊发表研究进展和综述论文,曾获得2012年度中国化学会青年化学奖。

 

      于一夫,天津大学化学系副教授、天津市青年千人。2014年6月在天津大学获得博士学位后,前往南洋理工大学从事博士后研究,2017年9月加盟天津大学化学系。目前,已以第一作者、共同第一作者或通讯作者在Nature Chem.、Acc. Chem. Res.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Catal.等期刊发表论文。

 

课题组主页:https://zbtju.weebly.com

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