纳米二氧化硅
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二氧化硅在异相催化中不仅是惰性载体,以下是详细介绍

2022-07-13 10:29:27

  二氧化硅(SiO2)因其丰富的含量、低廉的成本和高比表面积而被广泛用作各种异相催化剂的载体。除了介孔和微孔二氧化硅,传统的二氧化硅长期以来一直被认为是一种惰性的载体,用来分散活性金属或者用于探究异相催化的反应机理。然而,近年来的一些研究发现,功能化的二氧化硅能够直接调控催化剂的性能。比如利用二氧化硅表面基团电荷的修饰和控制润湿性、设计活性金属与二氧化硅的界面、利用二氧化硅的光学效应、构筑二氧化硅与活性金属的强相互作用、设计二氧化硅的核壳结构等策略,能够有效提升催化剂的性能。

二氧化硅

  二氧化硅在异相催化中不仅仅是惰性载体,还能通过对其结构和化学的操控从而影响催化的性能,并全面总结了目前常见的一些调控策略,甚至包括了二氧化硅的光学作用,以及过去不曾注意到的一些新现象:光热催化中的保温作用、其缺陷可直接作为二氧化碳还原反应的活性中心、作为0价硅纳米催化结构的前驱体。与此同时,为了进一步推动硅基催化剂的发展,作者对该领域的发展前景和挑战进行了展望。

  (1)虽然二氧化硅表面的电子调控可以有效提升催化剂的性能,但是它不适用于所有的异相反应。其表面的电子调控只能吸收特定的反应物或者中间物种,因此选择合适的反应体系是非常重要的。同时,目前只发现少量的活性金属能与二氧化硅之间产生强相互作用,这可能是由于二氧化硅的惰性导致。因此,开展新的合成方法发展更多的活性金属与二氧化硅之间的强相互作用很有意义。此外,二氧化硅与金属之间的强相互作用机理仍然不是很清晰,因此需要借助一些原位表征技术和理论计算技术相结合,去探究二氧化硅表面的动态变化。

  (2)虽然二氧化硅的核壳结构能够有效提升催化剂的稳定性,但是合成方法复杂、二氧化硅壳层影响了反应物的活性位点、该壳层在苛刻的反应条件下(高温的水蒸气、碱性溶液)中容易被刻蚀,因此,硅基纳米结构的未来发展应关注其可行性和可扩展性。

  (3)通过表面活性剂和硅酸盐的自组装合成,可以得到一系列理想的介孔二氧化硅形貌,这是一种有前景的多功能介孔二氧化硅合成策略。这种独特的弯曲形状,而不是简单的球形,为多相催化剂的电学、光学和机械性能的调整提供了更多的可能性。研究由介孔二氧化硅的尺寸、形态和团聚体结构决定的微动力学也很有意义。

  (4)通过以二硅烷气体为前驱体的化学气相沉积(CVD)方法,可以使微观硅线或硅点填充在沸石型二氧化硅结构的孔道和孔洞中,介孔硅可在二氧化硅的介孔中生长,宏观硅可以通过二氧化硅蛋白石结构的模板形成反蛋白石光子带隙(PBG)网络。这些形式的硅结构衍生自二氧化硅,从而能操纵光子,产生空间和量子限制效应,这对光催化反应是至关重要的。

  (5)二氧化硅的多功能表面功能化如何决定当前催化过程的选择性和稳定性仍有待探索。值得注意的是,硅表面自组装单分子膜是一种成熟的技术,值得研究其锚定原子分散金属进行高选择性化学转化的能力和稳定性。表面功能化对二氧化硅结构在液相中的胶体稳定性的影响也值得研究,特别是对于环境修复的应用场景。此外,它还可以使二氧化硅在其他化学图案基底上定向组装,这可能有助于构建用于催化反应微系统的微型光子晶体芯片。另外,结合1999-2000年关于周期性介孔有机官能化氧化硅材料的突破,二氧化硅功能化还将进一步大放异彩。


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