研究方向 | 催化研究课题组

课题组研究碳资源转化、光催化、储氢与电催化中的材料和界面问题，关注反应物的活化、电荷与物质的传递，以及材料在使用中的结构变化，理解活性、选择性和稳定性之间的联系。

成员相关研究连接材料制备、结构分析与反应评价，并在具体课题中结合原位表征、反应动力学和理论分析。四个方向各有材料体系与评价尺度，共同的出发点是以清楚的科学问题指导设计，在可比较的条件下判断材料改进的作用及适用范围。

碳资源与选择性催化

围绕一氧化碳、二氧化碳、合成气与生物质衍生分子，研究金属位点和载体界面如何影响反应路径，关注低碳醇及含氧化学品的选择性合成。

同一含碳原料可以沿不同路径生成醇、烃等产物。研究关注不同化学状态的金属位点如何配合，以及位点间距和界面接触如何影响中间体的吸附与转化。吸附强度需要与活化、碳—碳键形成、加氢和产物脱附相协调，才能理解材料组成变化为何改变产物分布。

载体既影响金属颗粒的分散，也通过表面基团、缺陷和界面电荷作用改变局部反应环境。相关研究结合精细结构分析与反应条件下的表征，考察颗粒尺寸、配位和界面状态的变化。一氧化碳氧化等反应提供吸附与界面研究的基础，帮助辨别不同反应所需的活性结构。

生物质合成气和含氧平台分子提供了不同的碳资源利用路径。围绕合成气制醇和平台分子加氢，研究金属及助剂如何改变分子的表面结合方式，使不同官能团沿目标路径转化。材料设计需要同时考虑目标产物的形成、竞争反应和催化剂保持活性的条件。

评价需要说明温度、压力、进料组成和运行时间，结合转化率、目标产物选择性与生成速率理解碳的去向。将产物分析与吸附物种、反应前后的结构相互对照，有助于区分活性位点变化、物质输运和失活的影响，判断材料能否持续促进目标反应。

以氮化碳、金属硫化物及复合结构为主要对象，研究光吸收、电荷传递与表面反应，关注产氢、过氧化氢合成、污染物转化和自清洁薄膜。

光被吸收后，产生的激发能能否转化为有效的表面反应，取决于电荷分离、迁移和复合之间的竞争。研究通过氮化碳骨架与分子连接调控光吸收和局部电子结构，通过半导体—助催化剂界面连接电荷传递与反应位点。能带位置和表面反应速率需要共同考虑，才能找到限制光能利用的环节。

缺陷和掺杂可以改变吸附位点与局部电子结构，也可能增加电荷复合。研究关注缺陷类型、分子连接和异质界面如何共同影响电荷去向与产物形成。过氧化氢合成涉及选择性氧还原及特定条件下的水氧化；产氢涉及半导体与助催化剂的协同。二氧化碳光还原的相关研究则从缺陷、吸附与电荷利用梳理材料设计问题。

污染物转化研究关注光照、表面接触和材料复合的作用，自清洁薄膜进一步把这些问题放到玻璃等表面使用条件中。亲水性有助于水铺展和冲洗，光催化作用于可反应的有机污染物。薄膜设计需要协调透光、润湿与光化学反应，并考虑使用后的功能保持；吸附、污染物转化与进一步矿化需要分别评价。

光源波段、入射光强、反应介质和催化剂用量都会影响结果，比较性能时需要联系产物生成与光子利用。过氧化氢积累取决于生成和分解的共同作用；产氢评价需明确是否加入牺牲剂，有牺牲剂条件下的产氢不能作为整体水分解的证明。这些条件决定了数据的可比性与结论的适用范围。

研究镁基材料的可逆吸放氢与甲酸等化学载体的催化释氢，关注界面设计、反应速率与使用稳定性，并考察储氢材料的可用容量。

镁与氢化镁的可逆转化可表示为 Mg + H₂ ⇌ MgH₂。温度与氢分压影响平衡，氢分子的解离与重组、扩散和新相形成影响吸放氢速率。研究通过纳米结构、镍基或镧基组分及复合界面考察这些过程，区分动力学改善与平衡热力学变化，并关注循环中的结构演变。

纳米化可缩短扩散尺度，也增加材料与环境接触的界面。聚合物、氮化硼和二维材料等复合组分提供催化、分散或防护的不同设计思路；相关薄膜研究关注生长方式、界面接触与保护层结构。保护材料的同时需要保留氢的输运通道，并考察添加组分对整个复合物有效储氢容量的影响。

甲酸脱氢通过 HCOOH → H₂ + CO₂ 释放氢，竞争的脱水路径 HCOOH → CO + H₂O 则生成一氧化碳。围绕负载型钯催化剂，研究金属颗粒、载体碱性位点与缺陷如何影响分子的吸附和活化，分析载体组成、形貌及金属—载体作用与反应路径的联系。

储氢评价需要同时说明可存储的量、吸放氢条件和重复使用表现。镁基复合物的容量应明确质量计算范围，并结合温度、氢分压和循环条件比较。化学载体释氢还需分析气体组成、催化剂保持情况，以及载体来源与再生条件；材料层面的结果为进一步应用提供依据，不能代替完整储氢或供氢系统的评价。

围绕多金属氧酸盐及其衍生物、镍基电极和导电骨架，研究组成与界面如何影响析氢、析氧、尿素氧化和相关储能反应，关注运行中的活性结构。

多金属氧酸盐的金属—氧簇结构为调节组成和连接方式提供基础。研究关注多酸单元的固定与共价连接，以及由其制备衍生电极时局部配位、晶相和形貌的变化。原有簇结构能否保持、衍生物形成什么活性位点，需要结合反应环境判断，并与导电接触和界面传输联系起来。

电极制备后的初始结构可能在反应中重构。围绕镍基硫化物、层状双氢氧化物和泡沫镍等体系，研究表面修饰、界面接触与工作态的联系。水电解以外加电能驱动阴极析氢与阳极析氧；尿素氧化辅助制氢则将消耗尿素的阳极反应与析氢配对。不同反应组合对活性位点、传输和稳定性提出不同要求。

多酸基材料、导电骨架与多孔结构的研究，也为考察电荷存储和循环保持提供联系。柔性导电薄膜、生物传感材料和轻质环氧复合材料属于相关研究延伸，共享导电网络、表面功能化与界面结合等设计思路，并按具体用途分别评价响应选择性、循环保持或结构稳定性。

电极评价需要把电流与实际产物联系起来，说明电解液、载量和运行条件。法拉第效率反映电荷用于目标反应的比例，持续运行后的结构与性能帮助判断活性状态能否保持。尿素氧化辅助制氢还需同时考虑尿素消耗、阳极产物和电能投入，避免用单一电流指标概括反应效率。