催化学报 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (9): 1324-1338.DOI: 10.1016/S1872-2067(19)63341-3

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三维有序大孔钙钛矿材料在环境领域的应用

张晨曦a,b, 赵培远a,c, 刘双喜a,d, 于凯b   

  1. a 南开大学材料科学与工程学院新催化材料科学研究所, 国家新材料研究院, 天津 300350, 中国;
    b 南开大学环境科学与工程学院, 环境污染过程与基准教育部重点实验室和天津市跨介质复合污染环境治理技术重点实验室, 天津 300350, 中国;
    c 新罕布什尔大学化学系, 达勒姆, 新罕布什尔州 03824, 美国;
    d 先进能源材料化学教育部重点实验室, 天津化学化工协同创新中心, 天津 300072, 中国
  • 收稿日期:2019-01-02 出版日期:2019-09-18 发布日期:2019-07-06
  • 通讯作者: 于凯
  • 基金资助:
    天津市自然科学基金(17JCYBJC22600);中央高校基本科研业务费专项资金.

Three-dimensionally ordered macroporous perovskite materials for environmental applications

Chenxi Zhanga,b, Peiyuan Zhaoa,c, Shuangxi Liua,d, Kai Yub   

  1. a Institute of New Catalytic Materials Science, School of Materials Science and Engineering, National Institute of Advanced Materials, Nankai University, Tianjin 300350, China;
    b MOE Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria and Tianjin Key Laboratory of Environmental Technology for Complex Transmedia Pollution, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China;
    c Department of Chemistry, University of New Hampshire, Durham, New Hampshire 03824, USA;
    d MOE Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin), Tianjin 300072, China
  • Received:2019-01-02 Online:2019-09-18 Published:2019-07-06
  • Contact: S1872-2067(19)63341-3
  • Supported by:
    This work was supported by the Tianjin Municipal Natural Science Foundation (17JCYBJC22600) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.

摘要: 近年来,三维有序大孔(3DOM)材料吸引了世界各国研究者的广泛关注.除了表面积大、孔隙率高、孔体积大、传质性能好等大孔材料的普遍特性,3DOM材料的孔结构分布均匀,且具有规律的周期性,其大孔尺寸也可在制备过程中自由调控.在制备过程中,通过加入适当的表面活性剂,可以得到骨架上具有介孔的3DOM材料.这使3DOM材料具有了多级孔结构,为其提供了更多的反应活性位点和对反应物的尺寸选择性.此外,作为一种三维光子晶体,3DOM材料还具有光子禁带、慢光效应等独特的光学性质.
钙钛矿是一类广泛分布于地球上且储量丰富的化合物,具有成本低廉、氧化还原性能好、离子迁移率高、稳定性高、毒性较低、生物相容性好等优点.并且通过部分或完全取代钙钛矿材料中位于A位或B位的阳离子,可以有效调控其物理化学性质,使其在环境领域中表现出巨大的应用潜力.3DOM钙钛矿材料结合了3DOM结构和钙钛矿材料各自的优点,逐渐成为了环境领域中的热门材料.已被广泛应用于光催化分解水产氢或降解污染物、碳烟催化燃烧、挥发性有机化合物(VOCs)催化氧化、温室气体减排和利用、传感器等多种环境应用领域.
本文综述了近年来3DOM钙钛矿材料的一般合成方法,并列举了3DOM钙钛矿材料在环境领域的应用和研究进展,详细讨论了其在不同反应体系中的独特优势和反应机理.除了3DOM钙钛矿材料灵活的组成及可调变的物理化学性质对于其催化性能的提升具有显著的作用.此外,在光催化中,3DOM材料独特的慢光效应,使半导体材料的光吸收范围与光子禁带边重叠时,可以显著提高半导体材料的光吸收效率,进而有效提高催化剂的光催化活性.因此,3DOM材料的结构有序性和光子禁带调控是3DOM钙钛矿材料在光催化领域应用中的关键因素.对于碳烟催化燃烧,由于碳烟颗粒尺寸较大,碳烟颗粒与催化活性位点的接触成为影响催化活性的关键因素.因此,3DOM钙钛矿材料的大孔孔径,特别是其孔与孔之间的窗口尺寸对于其催化性能起着重要的作用.而对于VOCs催化氧化、CH4催化燃烧、CO2甲烷化、传感器等应用领域,3DOM钙钛矿材料比表面积的提升以及多级孔道结构的构建对催化活性的促进作用更为显著.最后,本文提出了该研究领域所面临的挑战,并对未来的发展进行了展望.

关键词: 三维有序大孔材料, 钙钛矿, 环境应用, 光催化, 催化氧化, CO2甲烷化, 传感器

Abstract: Three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) perovskite materials have attracted the interest from researchers worldwide due to their unique macroporous structure, flexible composition, tailorable physicochemical property, high stability and biocompatibility. In particular, they were widely used in environmental field, such as photocatalysis, catalytic combustion, catalytic oxidation and sensors. In this review, the recent progresses in the synthesis of 3DOM perovskite materials and their environmental applications are summarized. The advantages and the promoting mechanisms of 3DOM perovskite materials for different applications are discussed in detail. Subsequently, the challenges and perspectives on the topic are proposed.

Key words: 3DOM material, Perovskite, Environmental application, Photocatalysis, Catalytic oxidation, CO2 methanation, Sensor