钴酸镍尖晶石的形貌和缺陷设计及其性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

大量化石燃料的使用导致大气中CO₂含量逐年增加，引发全球气候变暖和海洋酸化，对全球经济及生态环境将造成严重危害。为此，我国提出“碳中和，碳达峰”的“双碳”目标，旨在有效控制大气中CO₂含量。因此，寻求合适的资源化利用方式已经成为人类社会亟待解决的问题。将CO₂转化为高附加值的碳产物，不仅可以有效提高CO₂资源化利用率，还可以有效地缓解能源危机。

在众多碳产物中，甲酸( FA )是一种极具吸引力的液体产物，含有4.4 wt%的H₂，在合适催化剂存在下，室温下就可以释放储存的H₂，是储氢的优良载体。因此，选择合适的催化材料实现CO₂高效、高选择性合成甲酸具有重要意义。目前发展的催化材料主要分为均相和非均相体系。均相体系尽管反应速率高，选择性好，但存在催化剂回收困难、分离步骤昂贵且繁琐的问题，严重限制了应用。因此，开发高效非均相催化体系引起了人们极大的兴趣。在非均相体系中，常用的材料主要为负载型贵金属催化剂（如Pd/ZnO、Au/SiO₂、Ru/SBA-15等），通过优化活性金属与载体之间的作用，有效改善CO₂加氢的活性和选择性。其中，Pd基催化剂表现出优异的催化活性，主要原因可以归因于Pd纳米颗粒表面不仅可以为H₂的吸附/解离提供丰富的金属位点，还可以为CO₂的吸附和活化提供优异的界面位点，因此被广泛用于CO₂加氢制FA的研究中。但是，经过深入调研文献发现，某些过渡金属氧化物与金属Pd之间的作用可以改变Pd的价态分布，大大降低CO₂加氢制甲酸活性。如鲁靳庆课题组的实验中合成了Pd/CeO₂材料，研究发现，Ce中的氧空位强烈影响Pd-CeO₂的相互作用，导致Pd粒子尺寸和电子结构的变化，因此降低了CO₂加氢制甲酸性能。设计和优化载体材料，是当前研究的重要方向。尖晶石型氧化物（AB₂O₄）由于具有良好的热稳定性、丰富的氧化态、可调控的氧空位等优点，在催化领域已经得到了广泛的应用。其中由镍、钴元素组成的尖晶石型材料NiCo₂O₄ 不仅储量丰富、制备方法简单、结构和热力学稳定性强，且存在两种金属氧化还原的Co² /Co³ 和Ni² /Ni³ ，为反应提供丰富的氧化还原活性位点。

2. 研究内容和预期目标

本课题的研究内容包括以下几点：

（1）催化材料的构建：通过简单的溶解热法制备中空钴酸镍材料，考虑煅烧温度、升温速率等对形貌的影响；

（2）金属纳米颗粒的修饰：采用简单的浸渍法修饰金属pd和cu纳米颗粒，调控二者比例，研究前驱体、煅烧温度的影响；

3. 研究的方法与步骤

1. 制备zif-67纳米晶体：将3.3g 2-mim(2-甲基咪唑) 和2.9g硝酸钴六水合物分别溶解在200ml甲醇中。然后，将2-mim甲醇溶液倒入硝酸钴溶液中，在剧烈搅拌下混合30分钟，然后在室温下老化24小时。沉淀物，即zif-67，用甲醇洗涤三次，并在80c下真空干燥。

2. 制备中空的nico₂o₄：将0.3克六水合硝酸镍溶解在100毫升乙醇中，然后加入0.2克所得zif-67粉末。然后，将上述溶液在室温下搅拌1小时。随后，通过离心收集深绿色沉淀物，分别用去离子水和乙醇洗涤3次，然后在60c下过夜。最后，通过在350c（2h，1c/min）的空气中煅烧工艺，以nico-ldh作为自牺牲模板，制备中空的nico₂o₄。

3. 各取nico₂o₄样品100毫克，分别负载不同比例的pd/cu双金属：pd_xcu_y/ nico₂o₄ (x/y =10/0, 8/2, 5/5, 2/8 和0/10; x/y代表摩尔比具体过程：将nico₂o₄分散到丙酮溶液中，随后加入一定量的金属离子前驱体，在室温下搅拌直至溶剂完全挥发，将粉在350c空气中以1c /min的缓慢加热速率煅烧3小时，以获得预期催化剂。

4. 参考文献

[1] m. gong, w. zhou, m. c. tsai, j. zhou, m. guan, m.c. lin, b. zhang, y. hu, d. y. wang, j.

yang, s. j. pennycook, b. j. hwang, h. dai, nat.commun. 2014, 5, 4695.

[2] h. wang, h. w. lee, y. deng, z. lu, p. c. hsu, y.liu, d. lin, y. cui, nat. commun. 2015, 6.

5. 计划与进度安排

1、2024.2.27-2024.03.30，通过水热法制备nico₂o₄、不同比例nico₂o₄通过负载不同比列的pd改性nico₂o₄ 类球形中空纳米多孔材料；

2、2024.03-2024.04，阅读文献，整理资料，提交开题报告，完成英文文献翻译；

3、2024.4.01-5.15，对所制备材料进行形貌、结构表征。测试所得材料光催化性能，最终得到具有高光催化效率的多孔纳米材料。