氧化物纳米纤维催化剂在能源和环境领域的应用

【摘要】
相对于块体材料，氧化物纳米纤维凭借着其独特的结构特性，在能源、环境的关键催化反应中发挥着重要的作用。最近，东南大学孙岳明、代云茜教授课题组系统地总结了氧化物纳米纤维作为催化剂或催化剂载体在能源转换和环境保护方面的应用。首先，综述简要总结了纳米纤维的结构调控方法及基于制备氧化物纳米纤维衍生物的湿法合成策略。随后，本文系统总结了氧化物纳米纤维作为新型催化剂在包括电催化、光催化和热催化中的重要应用，并进一步汇总了氧化物纳米纤维对负载型抗烧结金属纳米颗粒的有益作用，展示出在催化能源转化和环境保护方面广阔的应用前景。

【研究背景】 
近年来，静电纺丝技术日益发展成熟和普及，是制备纳米纤维最简便的技术。电纺氧化物纳米纤维具有耐高温、高比表面积等显著优点，其表面富含缺陷、扭结、台阶、氧缺陷位等特殊结构，有助于锚定纳米催化剂；其独特的三维交叉贯通的微纳孔通道，可极大地提高化学反应传质、传热效率；此外，氧化物纤维还可便捷地从“结构”、“组分”双管齐下，同时在多尺度实现功能导向的按需构筑，成为纳米催化剂的理想载体，受到众多研究者的广泛关注。

【亮点】
本文较为系统地总结了不同结构的氧化物纳米纤维及其在能源转化和环境保护中的应用，并详细地对比了氧化物纳米纤维与常见块体材料、纳米材料的优势。进一步，总结了近期以氧化物纳米纤维为前驱物，采用湿化学法“自上而下”制备零维（0D）纳米颗粒、获得特征纳米晶面的合成策略。此外，综述了基于常规的氧化物纳米纤维，湿化学合成技术组装、自下而上组装为轻质三维（3D）多级孔块体的最新进展。基于1D纳米纤维衍生的新型纳米材料，0维颗粒、2维多孔膜、3维体块的新型纳米材料的近期工作，从0维、1维、2维到3维的维度上进行了较为新颖的总结。

此外，利用氧化物纳米纤维热稳定性优良的优势，作为贵金属纳米催化剂载体，提高抗烧结性能。本文列举了利用氧化物纳米纤维提高金属纳米催化剂抗烧结性能的2类策略及特色体系：（1）物理限域，设置物理屏障，阻止Pt纳米颗粒的迁移、烧结。（2）能量壁垒，通过减小驱动力来降低整个系统的表面自由能或消除化学势的差异来稳定催化剂颗粒。前者主要是利用贵金属纳米颗粒与两种不同的氧化物之间的粘附能的差异建立起能量壁垒，减缓烧结；而消除化学势的差异则是通过设计具有均匀表面的纳米纤维作为载体，使得贵金属纳米粒子与载体的粘附能均一化，从而达到消除临近催化剂颗粒的化学势差异，减缓其烧结的目的。

【展望】
氧化物纳米纤维凭借其高比表面积、高孔隙率、高长径比等结构特色在能源、环境催化领域获得广泛的关注和研究。特别地，它们天然的网络结构使固体反应物极易被物理捕获，从而提高反应物与催化剂的接触效率；纤维间的孔隙和贯通的3D通道使反应的传质效率显著提高；自支撑氧化物纳米纤维容易集成到连续流系统中，从而避免分离过程。近期，进一步在增韧、增强、宏量制备等方面取得新的突破，将极大地推动氧化物纳米纤维的发展。

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