铁电化学到铁电催化

日期： 2024-08-23

浏览次数: 19

来源：南昌大学

近日，国际有序物质科学研究院廖伟强教授与赣南师范大学、苏州大学、东南大学等科研人员通力合作，在《铁电化学》的指导下，首次发现分子铁电催化，取得分子铁电体领域里程碑式进展。研究成果以“Discovery of molecular ferroelectric catalytic annulation for quinolines”为题发表在Nature Communications上，国际有序物质科学研究院博士生齐俊超为文章共同第一作者（排名第一），论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51106-1。

铁电体是一类极化方向在外电场下可重取向的电偶极活性材料，和大众熟知的铁元素无关，这类材料集铁电性、压电性、高介电性、热释电性等多种物理性质于一体，已经广泛应用于存储器、电容器、传感器、驱动器、换能器等重要器件领域。近年来，研究人员发现利用BiFeO3、BaTiO3等无机铁电体的压电效应，在超声激励下能够催化裂解水产氢、二氧化碳还原、降解有机污染物等氧化还原反应，即压电催化。然而，无机铁电体需要高温制备，使用前往往还需电极化处理；它们的声阻抗远大于溶剂的声阻抗，不相匹配的声阻抗阻碍了超声波从溶剂到铁电体表面的能量有效传递；此外，无机铁电体不溶于水等溶剂，长期超声会导致压电性能大幅下降，降低催化效率，无法持续使用。相比于无机铁电体，分子铁电体易于低温溶液法合成与加工，由于晶体在低温铁电相生长，无需电极化处理即可表现出优异的铁电性。分子铁电体还具有与溶剂声阻抗相匹配、可溶于水等溶剂的特点，可以配置超过饱和溶液，过量的分子铁电晶体在超声激励下，相匹配的声阻抗有利于能量传递，并且能够通过控制溶液温度溶解及重新析出分子铁电晶体，使其持续保持催化活性，可再生、循环使用，这是无机铁电体不可企及的。此外，另一个无机铁电体无法企及的特点是分子铁电体具有本征手性，有望应用于手性催化。分子铁电体在催化应用中有独特的优势，但分子铁电体的催化研究一直是片空白。

该研究团队前期报道了高性能分子铁电晶体，三氯合镉酸三甲基氯甲基铵（TMCM-CdCl3），具有12个等效极化方向的多轴铁电性、400 K的高居里温度和高达383 pC/N的压电系数d33（Science 2017, 357, 306;J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 22325）。本工作中，廖伟强教授等科研人员通力合作，将分子铁电晶体TMCM-CdCl3作为催化剂，以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂和碳源，通过与苯胺和芳基乙炔的[3+2+1]环化，一锅法催化合成了具有重要药理性的喹啉衍生物（图1）。与经典的无机铁电体BaTiO3、压电体ZnO以及中心对称结构类似物TM-CdCl3 (TM为四甲基铵)和TMFM-CdCl3 (TMFM为三甲基氟甲基铵)相比，TMCM-CdCl3表现出显著的催化活性。从DMF中再结晶的TMCM-CdCl3晶体保持了良好的铁电性，可以循环使用。分子铁电体TMCM-CdCl3具有自发极化，相同自发极化方向的微小区域会在其表面形成铁电畴，相邻畴之间的纳米级边界为畴壁（图1）。自发极化使TMCM-CdCl3能够形成内建强极化电场，在超声激励下，自发极化将发生改变，铁电畴表面产生电荷，而铁电畴壁可以作为活性位点，从而实现铁电催化（图1），这不同于无机铁电体中的压电催化。相比于压电催化中由于超声会使压电活性下降，铁电催化中的铁电畴在超声下一直存在，能够持续保持催化活性。

这项工作首次发现分子铁电催化，标志着《铁电化学》迈向铁电催化。分子铁电催化不同于传统的光催化、电催化、热催化等，是一种极具发展潜力的新型催化体系，将为催化领域提供全新的视角。

上一篇：氧化铈和掺杂氧化铈作为高介电常数种子层在氧化铈纳米结构过度生长中的潜在用途研究进下一篇：倪自丰教授：纳米氧化铈磨粒的制备及其在碳化硅衬底抛光中的应用（报告）

Hot News / 相关推荐

南京大学团队：“燃气蒸汽联合循环机组全工况超低排放催化技术研究与应用”项目取得突破

2025 - 10 - 29

点击次数: 21

来源：中国稀土网近日，中国稀土学会理事、催化专业委员会委员、南京大学董林教授团队联合大唐南京热电有限责任公司攻坚的“燃气蒸汽联合循环机组全工况超低排放催化技术研究与应用”科技项目取得圆满成功。该项目成功破解了燃机在启停、低负荷等复杂工况下氮氧化物排放控制的行业瓶颈，标志着我国在燃气发电环保领域取得了新进展。面对机组启停及低负荷阶段出现的剧烈温度波动、高空速、高湿度等极端复杂工况，董林教授团队充分发...

白云鄂博矿产资源开发利用实现三项技术突破

2025 - 10 - 29

点击次数: 22

来源：中国稀土网近日，包钢集团矿山研究院科研团队传来捷报，依托包钢集团重点科研项目与深地科技国家重大专项，针对白云鄂博复杂共伴生矿开发难题，科研团队在铌资源精细化利用领域取得“快速检测、精准定位、质量预报”三大技术突破，对增强国家战略资源安全保障能力具有积极意义。快速检测“CT扫描仪”为破解白云鄂博复杂共伴生矿在采矿作业过程中存在的传统理化分析时间长、指导现场生产不及时等问题，科研团队成立多元素快...

巴西坎波格兰德稀土矿等项目进展

2025 - 10 - 28

点击次数: 32

来源：中国稀土网 1、埃奎诺克斯资源公司（Equinox Resources）在巴西的坎波格兰德项目（Campo Grande）钻探证实一个浅部稀土成矿系统。中段钻探在1米深处见矿14米，总稀土氧化物（TREO）品位0.4022%，磁体稀土氧化物（MREO）占比为26%。北部钻探在45米深处见矿15米，TREO品位0.3268%，MREO占比21%。该矿临近巴西稀土公司（Brazilian Ra...

内蒙古自治区工信厅召开三季度全区重点工业行业经济运行座谈会

2025 - 10 - 27

点击次数: 52

来源：中国稀土网10月22日，内蒙古自治区工信厅副厅长杨茂盛主持召开三季度全区重点工业行业经济运行座谈会，围绕当前各重点行业发展形势、前三季度运行情况、存在的问题及对全年走势的判断展开交流，研究推动行业高质量发展相关工作。会上，自治区钢铁有色金属工业协会、有色金属产业促进会、稀土行业协会、水泥协会、石油和化学工业协会、氟硅产业促进会、氯碱行业协会、现代煤化工产业链促进会、光伏装备产业促进会、低空经...