悉尼大学Hamid Arandiyan&北工大戴洪兴ChemComm专题综述：有序多孔钙钛矿的研究进展

【引言】

钙钛矿型复合氧化物通式为ABO₃，在钙钛矿型结构中，A位通常为稀土元素，B位离子一般占据一个八面体结构中心，A位离子和氧离子组成一个面心立方格子。纳米钙钛矿的研究虽然只有很短的历史，然而所取得的研究成果表明纳米钙钛矿在诸多方面表现出优越的性能，表现出方兴未艾的应用前景。钙钛矿型复合氧化物（ABO₃）是颇受关注的催化材料，它作为催化燃烧、汽车尾气净化和烟气还原脱硫催化剂均颇有前景。由于ABO₃有特定的晶体结构，一些研究认为ABO₃的催化活性与其比表面积成正比，即单位表面（组成一定）上的反应速率是相近的。由于比表面积小是ABO₃催化剂使用中存在的主要问题之一，所以近期有不少将ABO₃制成纳米粒子等以提高其比表面积的报道。纳米微粒由于尺寸小，表面占较大的体积百分数，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。而近年来对多孔，尤其是有序大孔和介孔钙钛矿的报道显示，孔结构的引入能够相当程度的提升钙钛矿比表面积和对应的催化活性。相关的研究发现：ABO₃比表面积增大，一方面CO和CH₄等在其上发生氧化反应的起始反应温度降低，另一方面，单位表面上的反应速率具有较大的变化。这说明多孔ABO₃不仅比表面积增大了，其表面结构和性质也发生了变化，并导致了催化性能的变化。

【成果简介】

近日，悉尼大学的Dr. Hamid Arandiyan与北京工业大学戴洪兴教授（Prof. Hongxing Dai）在ChemComm合作发表题为 “Ordered Meso- and Macroporous Perovskite Oxide Catalysts for Emerging Applications” 的专题综述文章（共同第一作者Hamid Arandiyan，王媛），文章概括了近年来多孔钙钛矿氧化物材料在能源转化和多相催化的应用，详细综述了多孔钙钛矿氧化物的材料制备方法，表征手段以及其在多相催化和空气电池中的应用。

这篇专题综述是专家作者对其相关研究领域进行的综述总结，文章主要以作者发表过的文章为典型范例，并结合个人研究观点对领域热点难点的分析概述。文章第一作者和通讯作者Hamid Arandiyan目前就职于悉尼大学（Senior Research Fellow），和此文共同通讯作者戴洪兴教授（北京工业大学）同为有序大孔介孔金属催化剂的制备表征领域研究学者，对该研究领域具有独到的见解。文章共同第一作者为新南威尔士大学（澳洲）的王媛博士（Yuan Wang-UNSW），自2010年师从戴洪兴教授，一直致力于有序孔材料的研究，共同参与文章的撰写工作。

 【图文导读】

图1：大孔、介孔钙钛矿制备示意图

2 多孔钙钛矿氧化物的制备

2.1 模板制备

图2：有序PMMA胶晶模板制备流程图

Reprinted from Nature Communications, 2017, 8, 15553.

2.2 大孔钙钛矿的制备

图3：三维有序大孔LaSrMnO₃钙钛矿的制备

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

 2.3 介孔钙钛矿的制备

图4：六足虫介孔LaSrMnO₃钙钛矿的制备

Reprinted from Nature Communications, 2017, 8, 15553.

 2.4 负载贵金属型多孔钙钛矿的制备

图5：负载Ag的三维有序大孔LaSrMnO₃钙钛矿的制备

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

3 多孔钙钛矿的新兴应用

3.1 热催化反应

3.1.1 挥发性有机物（VOCs）和一氧化碳氧化（CO）氧化反应

3.1.2 甲烷燃烧和二氧化碳甲烷化

图6：负载Pt的三维有序大孔CeZrYO₂对甲烷的氧化反应

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

 图7：负载Au-Pd双金属的三维有序大孔LaSrMnO₃对甲烷的氧化反应

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

图8：六足虫介孔LaSrMnO₃对甲烷的氧化反应

Reprinted from Nature Communications, 2017, 8, 15553.

图9：表面褶皱有序大孔Ni/Co3O₄对二氧化碳甲烷化反应

Reprinted from Advanced Sustainable Systems, 2018, 2 1700119.

图10：有序大孔Au-Pd-CoO/Co₃O₄对甲烷氧化反应

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

3.1.3 烟气燃烧反应

3.2 光催化反应

图11：M/AgBr/3D-BiVO₄ (M=Au, Pt, Pd)对四氯酚的光催化氧化反应

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

图12：Pd/Fe₂O₃/BiVO₄对苯酚的光催化氧化反应

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

3.3 锂空气电池

图13：有序大孔CoFe₂O₄钙钛矿作为锂氧电池正极材料

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

图14：介孔LaSrMnO在锂空气电池中的应用

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

文献链接：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）

作者其他相关论文：

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撰写，特此感谢！

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