Giriş Giriş Giriş
Temiz hava, daha güvenli su ve sürdürülebilir enerji için küresel itki, gelişmiş kedi kimyasal malzemeler için aramayı teşvik etti. platin, palladium ve rhodium yüksek aktivite ve seçim özellikleri ile rekabetçi performans sağlayan, ancak kriyo, kabarık, deniz ürünleri kısıtlamaları ve çevre hızla nano-tabloklar üzerinde yoğun araştırmalar getiriyor.
Bilinçli metal katalizörler, yakıt hücreleri, elektrolizerler, atık su arıtma ve otomotiv egzozları ile ilgili temel reaksiyonları kullanarak çeşitli mekanizmalar aracılığıyla çalışır -oxygen azaltımı, hidrojen evrimi, kirleticiler ve azot oksit abatımı - onları yakıt hücreleri, elektrolitler, atık su arıtma ve otomotiv kirliliği ile en umut verici metalleri değiştirmek için önemli ölçüde temizleme sağlar.Bu makale, NPMC geliştirme, katalizör türleri, çevresel uygulamaları, sentez stratejileri, performans zorlukları ve en umut verici sonraki yönlerden uzaklaştırma sağlar.
Değerli Metal Catalystlerin Önemi
Çevre katalizörleri temel bir gerginlikle karşı karşıya: En aktif bilinen katalizörler genellikle en pahalı ve en az sürdürülebilir. Plakt gibi değerli metaller kilogram başına birkaç on binlerce dolara mal oluyor ve rezervleri bir avuç ülkede yoğunlaşıyor, tedarik kırılganlığı yaratıyor.
Ekonominin ötesinde, NPMC'ler üretim sırasında çevresel avantajlar sunar. Madencilik ve rafineri grubu metalleri bazen daha karmaşık sentezler gerektirdiğine rağmen, cradle-küresel olmayan birçok metal geri dönüşüm akışlarından veya bol miktarda veya daha düşük çevresel ayak izinden kaynaklanabilir. Yaşam döngüsü değerlendirmeleri bazen daha karmaşık sentez gerektirdiğine göre, daha karmaşık sentez gerektirdiğine rağmen, cradle-küresel etkiler göz önünde bulundurularak genel çevresel etkiler elde edebilir.
Ayrıca, NPMC'lerin kullanışlılığı, özellikle alkali elektrolitler veya yüksek sıcaklıklarda, çözünürlükte ve seçim için elektronik yapı ile uyumlu hale getirilmesine olanak sağlar.Bu tunability, yalnızca alkali elektrolitler veya yüksek sıcaklıklarda değerli metal karşılaştırmaları aşmış gibi katalizörler sağlar. Sonuç, uzun süre kalıcı çalışma koşulları altında binlerce kalıcı çalışma koşullarını sağlayan çok sayıda belgeyi genişletmiştir.
Non-precious Metal Catalysts
NPMC'lerin çeşitliliği, daha kolay olması gereken çevresel tepkilerin çeşitliliğini yansıtıyor. Broadly, her biri ayrı yapısal özellikler ve mekanik özelliklerle dört kategoriye giriyorlar.
Transition Metal Oksits
İlk yarı geçiş metallerini optimize eder -özellikle kristal yüzbaşı, nikel ve bakır - en çok araştırılan NPMC'ler arasında. kedileri organik uçucu bileşiklerden (VOCs) ve dekompozisyonların bozulmasına izin verir.
Metal Sulfides ve Selenitler
Metal dichalcogenides, özellikle de iki boyutlu tabakaların kenarlarında, sulfid atomlarının hidrojen için yakın bir ısıtımı (WS2) oluşturmak için kullanılan yüksek katalizörler olarak ortaya çıktı.
Karbon bazlı Catalyst Metallerle Dopedildi
Metal-nitrogen-karbon (M-N-C) malzemeler, oksijen azaltımı reaksiyonu (700-1100 °C) için platin yerine getirilmesinde bir atılımdır.Rektör nanopartiküller ve azot-doped karbon defektifleri ile birlikte, bu bileşenler arasındaki sinerjik bir çalışmadır.
Perovskite ve İlgili Malzemeler
Perovskites (ABO3) ve Türev yapıları (kezlerde iki, Ruddlesden-Popper fazları) olağanüstü kompozisyonel esneklik sunar. A ve B sitelerindeki farklı metal iyonları, araştırmacılar oksijen vacancyMnOovskites ve iletkenliklerini sistematik olarak değiştirebilirler.
Çevresel Teknolojilerde Uygulamaları
Bilinçli metal katalizörler artık çok sayıda çevresel teknolojilere entegre edilir, enerji dönüşümünden kirliliğine kadar abatat. Onların dağıtım süreleri laboratuvar ölçekli prototipleri endüstriyel pilotlara, ticari hazırlığa yakın birkaç teknoloji ile.
Temiz Enerji için Yakıt Hücreleri
Yakıt hücreleri, hidrojen veya küçük-molecule yakıtlardan sadece ürün tarafından elde edilen en umut verici platin alternatifleri olarak elektrikle kimyasal enerjiyi döndürür (ORR) Geleneksel olarak platin katalizörleri gerektiren bir çalışmadır.Demo-Ciyal malzemeler, özellikle de alkali yakıt hücreleri ve iyon-exchange membran yakıt hücreleri için (AEMFCs) ile elde edilen bir mikro-parçacıklı nano-parçacıklı motorlar kullanılarak ortaya çıkmıştır.
Elektrocatalytic Water Hidrojen için Bölünmesi
Su elektroliz aracılığıyla yeşil hidrojen üretimi, özellikle alkali elektrolit enerji sistemlerindeki temel katalizörlerdir.Genel reaksiyon, katode ve oksijen evrimi reaksiyonunu (OER) katle ve oksijenli bir elektrolitojenler arasında, özellikle de 50 mV'de yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan, yüksek çözünürlükte olan bir elektrolit (FeP) ve sulu elektrolitler (Mote) ve sulu nanoparçacıklı (Mote) ile birlikte çalışır.
Atıksularda Organik Kirillerin Yüksek Lisansı
Endüstriyel atık su, organik bileşikleri yeniden düzenlemeye olanak sağlar - bakırdan oluşan demirden oluşan ve hafife alınan (Fe3O4) ve demirden oluşan nano-parçacıklı metaller, hidrojen peroksitleri (Fenton reaksiyonları) ile birlikte, bakırdan alınan demirden oluşan nanoparçacıklı metaller gibi, bakırdan oluşan kimyasal maddelere kadar ısıtılır.
E egzoz Gazları'nda Nitrojen Oksitlerin Azaltılması
Bu, yüksek çözünürlükte 800-300 °C'ye sahip olan yüksek basınç testleri, daha ucuz ve daha fazla ısıtıcı karbonatları için arama, MnO2, Mn2O3 ve Mn3O4 gibi, düşük sıcaklıklar için yüksek verimli bir şekilde verimli bir şekilde entegre edilebilmesi için yüksek aktivite sağlar (150-300 °C), daha ucuz ve daha fazla ısıtılabilir karbon-enerjik karbon-enerjik karbon-enerjik karbon-enerjik olmayan yüzeyler için yüksek verim sağlar.
Karbon Dioksik Dönüşüm Dönüşüm Dönüşümü
CO2'yi yararlı yakıtlar ve kimyasallara dönüştürmek (örneğin, karbon ürünlerinin (örneğin, yüksek çözünürlükte) ancak genellikle yüksek miktardaki karbondioksit (C-C) ile takviyeli asit, molsun ve hidrokarbonlar için (örneğin, nano-karbonlar) ile ilgili deneylerin (örneğin, yüksek çözünürlükte) yüksek çözünürlükte bulunan 100-küresel CO2 azaltımı sağlar.
Synthesis ve Karakterizasyonda İleriler
Bilinçli metal katalizörlerin performansı, sentezlerine ve ortaya çıkan nanoyapıya bağlı. Anahtar gelişmeler, aktif sitelerin rasyonel tasarımını, eşsiz hassasiyetle etkinleştirmiştir.
Kontrollü Nanopartikül Synthesis
Konbalt oksit nanocubes, 5 kat daha yüksek, düzensiz nanopartiküller kullanarak basit bir analiz - incelik, şekil ve kompozisyon. Örneğin, kobalt oksit nanocubes maruz kalan {100} aktif sitelerin aktifliğini artırmak için beş kat daha yüksek gösterir OER aktiviteye göre (ALD) kedisi için karmaşık olmayan yüzeyler için ince bir kontrol sağlar, ancak NPCinarizasyonlar için daha az maliyetlidir.
UP ve Karbonizasyon
M-N-C katalizörleri için, piroliz koşulları - sıcaklık, rampa, atmosfer ve zaman - son aktif site yapılandırmasını tahmin edin. Düşük sıcaklıklar (700-800 °C) atomik olarak Fe-N4 moieties, daha yüksek sıcaklıklar (900-1000 °C) daha fazla grafiksel karbon ve metalik nanopartiküller sağlar.
Situ ve Operando Karakterizasyon
Operasyonel koşullar altında katalizörlerin nasıl evrimleştiğini anlamak rasyonel optimizasyon için kritiktir. X-ray absürt spektroskopi (XAS), ortam-baskı X-ray fotoelectron spektroskopu (AP-XPS), ve iletim elektron mikroskobu (TEM) araştırmacılar, oxidasyon durumlarında değişiklikleri gözlemlemelerine izin verir ve bu tür nanopartikül boyutu gerçek zamanlı olarak, örneğin, Operando XAS, bir Co3O4 OER katalizörünün aktif aşamasının aslında ince bir kobalt oxyhidroksihidroksihidrojen tabakasının bu türdeki değişikliklerden daha iyi bir şekilde tespit edildiğini ortaya koyar.
Meydanlar ve Gelecek Yollar
Dikkat çekici ilerlemeye rağmen, çok sayıda bariyer, değersiz metal katalizörler çevresel uygulamalarda değerli metalleri tamamen yok edebilir. En acil zorluklar gerçekçi koşullar altında dayanıklılık, aktivite paritesini içerir ve manufacturability.
Harsh Ortamlarında Durability
Yakıt hücreleri ve elektrolizerler, katalizörler, asitli veya alkali ortamlarla karşı karşıya, yüksek potansiyeller ve karbon destek ve metal merkezleri olan radikal türler. M-N-C katalizörleri genellikle 100-500 saat içinde ilk aktivitelerini artırmak için 20-40% kaybeder (karbonlar, grafiksel)
Aktivite Gap Under Stringent Koşulları
En iyi durumda, NPMC'ler alkali veya tarafsız medyadaki değerli metal performansıyla eşleştirir. Ancak, asitli proton-exchange membran yakıt hücreleri için güç otomotiv uygulamaları, platin bazlı katalizörler hala pratik akım boşluklarda -50 mV avantajına sahiptir (> 1 A /cm2).
Scalable Manufacturing
Ticari üretime bir laboratuvar atılımını yapmak, sürekli akış reaktörleri ve top değirmenleri ölçeklenebilir alternatifler olarak araştırılmalıdır.Birçok umut verici NPMC'ler pahalı öncülere güveniyor (örneğin, MOFs, yüksek hacimli reaktifler) veya karmaşık multi-tamentasyon prosedürlerine karşı çıkmak gerekir.
Hybrid ve Multifunctions
Gelecekteki yönler, genel su bölmesi için tek fazlı katalizörlerin ötesine geçiyor. Örneğin, bir metal oksit (OER katalizörü) bir metal sulfid (HER katalizörü) ile bir iletken karbon desteğinin genel olarak su bölmesi için bir çift fonksiyonel elektrot sağlar.In effects, araştırmacılar NPMC'nin aktivite ve istikrarını kesebilir ve aynı zamanda en iyi şekilde kirleticiler için analiz edilir.
Kapanış Remarks
Çevre uygulamaları için açık olmayan metal katalizörlerin gelişimi kritik bir juncture.Temel araştırmaların on yılları atom seviyesinde derin bir anlayış üretti ve sentetik teknikler şimdi aktif siteler için hassas bir şekilde inşa edilmesine izin veriyor. Kalan zorluklar, gelişmiş karakterizasyon ve ölçeklenebilir bir işlemeye doğru geçiş yapıyor.Indisipliner olarak, NPMC'ler, gelecekteki temiz enerji ve kirliliği kontrol teknolojilerinin bir sonraki nesillerini, çevresel korumayı sağlamak için gerekli olan yeni bir adım atacak.