主要研究方向:膜催化、催化、膜分离
反应和分离是化学工业的两大基本过程,将这两个过程集成一体是一项极具挑战的课题。膜催化是将膜材料的分离过程和催化材料的催化反应过程耦合在膜反应器中,即在反应的同时将反应物或产物进行分离,提高催化反应选择性或转化率,从而实现反应/分离一体化。研究涉及材料化学、催化化学以及化学化工等学科的交叉,其关键是高性能无机膜材料的优化设计与合成。研究内容包括:
无机膜催化材料:主要探讨无机膜宏观分离性能与其微观结构的内在关联;研究无机膜制备过程中体系的物理化学变化规律对其微观结构的影响;发展具有自我知识产权的无机膜催化材料合成策略和制备方法。
无机膜催化过程:揭示催化反应与膜分离耦合的新过程中膜分离材料和催化剂材料间相互作用以及膜分离过程和催化反应过程间相互作用的科学认知,为今后新的膜催化过程的研究和开拓提供科学基础。在提供重要新科学认知的基础上,进一步优化产生具有自主知识产权的技术创新成果,为化石能源洁净高效优化利用,解决能源短缺和环境恶化提供技术基础。
代表性文章:
1. Zhu XF, Yang WS, Composite membrane based on ionic conductor and mixed conductor for oxygen permeation AIChE Journal 54(3): 665-672, 2008
2. Zhang HZ, Yang WS, Highly efficient electrocatalysts for oxygen reduction reaction, Chemical Communications (41): 4215-4217, 2007
3. Li YS, Liu J, Yang WS, Formation Mechanism of Microwave Synthesized LTA Zeolite Membranes, Journal of Membrane Science 281 (1-2): 646-657, 2006
4. Yang WS, Wang HH, Zhu XF, et al., Development and application of oxygen permeable membrane in selective oxidation of light alkanes, Topics in Catalysis 35 (1-2):155-167, 2005
5. Zhu XF, Wang, HH, Yang WS, Novel cobalt-free oxygen permeable membrane, Chem Commun, (8): 1130-1131, 2004
杨维慎团队长期致力于分子筛膜设计与分离研究,以三维晶粒、二维纳米片、零维分子为基元设计和构建分子筛膜,实现多场景分离应用。团队利用微波加热方法制备无裂缺三维A型沸石分子筛膜并实现工业放大(Advanced Materials,2000);制备了超薄二维金属—有机骨架分子筛膜,实现膜气体渗透通量数量级提升,达到燃烧前CO2捕获工业应用要求(Science,2014);将小分子有序组装成零维分子筛膜,并利用埃米级分子间隔精确筛分具有微小尺寸差异的H2、CO2,其选择性代表迄今已有报道的分子筛膜最高水平(Angewandte Chemie International Edition,2021)。
多维度构筑基元协同发展将助力分子筛膜在渗透速率、选择性、稳定性等方面的突破,推动分子筛膜在更为复杂的工业分离场景中发挥作用。
该评述以“Multidimensional Building Blocks for Molecular Sieve Membranes”为题,于近日发表在《化学研究评述》(Accounts of Chemical Research)上。该工作得到国家自然科学基金等项目的支持。(文/图 班宇杰)
文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00434
本工作中,为探究SOECs中不利反应的起源,研究团队首先分析了该体系中各种电压损失的纵向分布,建立了一维电化学反应理论模型,发现反应过程中形成的EN是控制Ni氧化和碳沉积的决定性因素。同时,研究团队从控制化学反应的源头出发,计算出不同反应条件(温度、阳极氧分压、阴极水分压和阴极总气体压力等)下的SOECs稳定运行的EN操作窗口,并绘制了相关热力学化学反应相图。最后,研究团队从实验上验证了上述理论分析结果。本工作揭示的Ni氧化和碳沉积的起源可以扩展到多相催化的其他领域,有利于反应条件优化,例如,选择合理的操作温度窗口、压力、原料气组成等。此外,本工作也有利于催化剂微结构设计,可通过改变催化剂表面以抑制有害的反应动力学或调节催化剂表面附近的局部气氛。
相关研究成果以“Mapping a thermodynamic stability window to prevent detrimental reactions during CO2 electrolysis in solid oxide electrolysis cells”为题,于近日发表在Applied Catalysis B: Environmental上。该工作第一作者是我所博士后胡世庆。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、我所创新基金等项目的资助。(文/图 胡世庆)
相关链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122239
基于上述问题,研究团队以氧化铝载体表面生长的锌—铝双金属水滑石直立片层为模板,通过其在配体溶液中的化学自转变过程制备出高度致密的MIL-53膜。研究发现,MIL-53膜的生长分为两个阶段:在第一个阶段,LDH作为铝源供给型模板,可引导MIL-53晶体沿面外进行印迹复制型生长,约8个LDH六方晶格被同步替换为1个MIL-53正交晶格,形成膜的基础架构;在第二个阶段,随着LDH模板牺牲,可动态调控氧化铝载体中铝源的可用性,引导MIL-53晶体沿面内准正交生长,协同获得高度致密的MIL-53膜。该膜呈现优异的甲酸、乙酸脱水分离性能以及连续运行稳定性。尤其重要的是,MIL-53膜可实现70 wt.%甲酸共沸物几乎完全脱水(渗透物中水含量为98.9%),分离能耗与共沸精馏相比节省约77%。
相关工作以“A LDH Template Triggers the Formation of a Highly Compact MIL-53 Metal-Organic Framework Membrane for Acid Upgrading”为题,于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上,并被选为热点文章(Hot Paper)。该工作的第一作者是我所504组博士研究生王悦诚。以上工作得到国家自然科学基金等项目支持。(文/图 班宇杰、王悦诚)
文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302181
本工作中,研究团队制备了“可呼吸式”氢氧化镍正极,提高了镍锌电池的能量密度和稳定性。团队发现,在采用“可呼吸式”正极的镍锌电池(Ni-ZnAB)中,充电过程中产生的氧气可以在放电过程中被氧还原催化剂利用,从而显著提高了电池的能量转化效率和库伦效率;同时,电极和电解质均得到改善,电池的循环稳定性也得到提升。在循环50小时后,传统Ni-Zn电池电解质中锌的浓度从15 g L-1降到了8 g L-1,而Ni-ZnAB电池中则保持稳定。此外,传统Ni-Zn电池正极侧的Ni(OH)2颗粒出现了严重的破裂脱落问题,而Ni-ZnAB电池正极侧的Ni(OH)2维持良好的纳米片形貌。最终,组装的软包电池在2 mA cm-2下能够实现100小时的高稳定性,且平均能量效率为85%,明显优于传统Ni-Zn电池。在富电解液的体系中,Ni-ZnAB电池能够实现长达500圈(250小时)的超高稳定性,能量效率始终高于80%,最高功率达到98 mW cm-2, 展示了Ni-ZnAB的重要应用潜力。
该工作不仅开发出了一种能够利用镍锌电池副产物的可呼吸式正极,同时揭示了贫电解液体系碱性电池失效的根本原因,为高能量密度和高稳定性镍锌电池的设计提供了新思路。
上述工作以“Enhancing Energy Conversion Efficiency and Durability of Alkaline Nickel-Zinc Batteries with Air-Breathing Cathode”为题,于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上,并被选为“Very Important Paper”。该工作的第一作者是我所504组博士研究生谢威立。上述工作得到了国家自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。(文/图 朱凯月、谢威立)
文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202303517
该综述文章通过对碱性体系中锌负极面临的独特问题进行分析,确定了锌负极与电池可逆性、容量、可储存性、库伦效率相关的枝晶生长、钝化、腐蚀、析氢等关键问题。同时,团队进一步对目前的研究策略进行解耦,从电极3D结构、电极保护层、电极合金化、电解质添加剂、新型隔膜及充电策略等六个互补的方面进行了深入、全面的讨论。此外,团队将各种策略关于枝晶、钝化、腐蚀、析氢、死锌及反应动力学等不同问题的优化机理进行详细分析,提出了未来碱性锌负极研究的复合策略方向。团队进一步提出将电解质使用量引入电池性能评价体系,并展望了高性能碱性锌负极未来发展的机遇与挑战。
该综述以“Advancements in Achieving High Reversibility of Zinc Anode for Alkaline Zinc-based Batteries”为题,于近日发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。该工作的第一作者是我所504组博士研究生谢威立。上述工作得到了国家自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。(文/图 谢威立、朱凯月)
文章链接: https://doi.org/10.1002/adma.202306154