北科大王戈&圣安德鲁斯大学John T. S. Irvine Chem. Sci.：纳米孔钙钛矿型金属氧化物的合成与应用

【引言】

在过去的几十年里，钙钛矿型金属氧化物由于具有成分多样性和结构性能（氧化还原行为、氧离子迁移、电子和离子导电性）独特的特点，在很多领域得到了广泛的应用。最近，纳米孔钙钛矿型金属氧化物因其独特的形貌、性能和应用潜力得到了大量的关注。

近日，北京科技大学王戈教授和英国圣安德鲁斯大学John T. S. Irvine教授等人在Chemical Science上发表了一篇题为“Synthesis and applications of nanoporous perovskite metal oxides”的综述文章（第一作者为北京科技大学黄秀兵讲师）。本综述总结和概括了纳米孔钙钛矿型金属氧化物的不同合成方法和其应用的研究进展，以及纳米孔结构和钙钛矿氧化物性能的相关性。最后，本综述展望了纳米孔钙钛矿型金属氧化物的一些可能研究方向。

1. 纳米孔钙钛矿氧化物的合成方法

本综述首先总结了制备方法如软模板法、硬模板法、胶态晶体模板法、静电纺丝和水热法等在制备纳米孔钙钛矿型氧化物的研究进展，并归纳了这些方法在纳米孔钙钛矿氧化物制备中的优缺点。

图 1 介孔LaFe_xCo_1-xO₃材料的合成示意图及其形貌

（A）介孔LaFe_xCo_1-xO₃的合成示意图；

（B）介孔LaFe_xCo_1-xO₃的显微结构图。

图 2 有序大孔结构的三种胶态晶体模板

（上）移除模板后，胶态晶体中浸渍前驱材料制备的3DOM结构；

（中）移除模板后，均匀纳米球和纳米颗粒共沉淀制备的3DOM结构；

（下）核壳结构自组装成周期纳米簇，形成紧密堆积的中空壳层。

图3 介孔SrTiO₃的生长和形貌的演变机制

（a-c）介孔SrTiO₃的TEM图像；

（d-f）介孔SrTiO₃的EDS图谱；

（g）介孔SrTiO₃纳米线的形成机制示意图。

图 4 纳米孔钙钛矿氧化物合成方法的总结

2. 纳米孔钙钛矿氧化物的应用

纳米孔钙钛矿型氧化物具有高的比表面积、高的热稳定性、好的氧化还原反应能力、优异的电子/离子导电率及氧离子迁移率等特点，在能源、环境等领域具有很好的应用潜力。本综述总结归纳了纳米孔钙钛矿氧化物在化学催化（挥发性气体燃烧、碳烟氧化、CO₂干燥重整甲烷、NO选择性还原、液相Friedel-Crafts苄基化反应和甲烷水蒸气重整制氢等）、电化学催化（固体氧化物燃料电池、低温燃料电池、金属空气电池的电极）、光催化（光催化降解、光催化分解水和CO₂还原）及其他领域（太阳能电池电极材料、气体传感器等）的应用研究进展。同时，本综述也指出了纳米孔钙钛矿氧化物在应用中的优势与挑战。

3. 结论与展望

本综述最后总结了纳米孔与非纳米结构钙钛矿氧化物之间在结构与性能上的相互关系。纳米孔钙钛矿氧化物因其高的比表面积、更多的活性位点、独特的表面性能、反应物的快速分散性，在SOFCs、金属-空气电池、光催化降解等领域具有很好的性能表现。但还有一些问题有待进一步研究，例如纳米孔钙钛矿氧化物的结晶度与其在光催化电解水和CO₂还原等领域的相互关系，其他金属（氧化物）修饰或掺杂对纳米孔钙钛矿氧化物性能的影响规律等。

近年来，钙钛矿负载溶出型纳米颗粒得到了广泛关注。但目前钙钛矿负载溶出性纳米颗粒一般采用高温原位还原的方法，而纳米孔钙钛矿氧化物在高温下一般难以保持纳米孔结构。因此，如何在纳米孔钙钛矿氧化物上原位溶出具有高活性的金属纳米颗粒，并深入研究其在化学催化、电化学及光催化等领域的组成-结构-性能之间的相互关系具有重要意义。

本工作得到了国家重点研发计划（2016YFB0701100）及英国工程和自然科学研究委员会项目（EP/K036769/1）等项目的资助。

4. 通讯作者介绍

王戈，教授，博士生导师，2002年于美国Michigan Technological University化学系获得理学博士学位，2012年被聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2013年入选国家百千万人才工程，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号。在Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Catal.等国际期刊发表SCI收录论文140余篇。研究工作先后被ACS News, Nanotechweb, Science Daily等多家美国、英国、中国的科研及新闻媒体做专题报道或亮点评述。多次担任功能材料及交叉领域国际会议的联合主席、组委会副主席及科学委员会委员，并在多个国内外学术会议上做特邀报告。2011年获北京市科学技术奖二等奖（第一完成人），2016年获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖（第一完成人）。主要研究方向包括新型催化材料和节能储能材料。

John TS Irvine教授现任英国圣安德鲁斯大学化学学院教授、英国皇家化学会会士(FRSC)、英国爱丁堡皇家学会会士(FRSE)。Irvine教授被英国皇家化学会授予Wolfson Research Merit Award (2012-2017)、RSC Sustainable Energy Award (2015)、RSC Materials Chemistry Award (2008)和Francis Bacon Medal (2003)。Irvine教授的研究方向包括燃固体氧化物料电池、电极材料、光催化、储氢材料等，主要以无机固体化学和高温电化学为基础，发展高性能高温电化学能量转换器件以及相关材料。Irvine教授以通讯作者在包括Nature（3篇）、Nature Materials（5篇）、Nature Chemistry（1篇）、Nature Energy（1篇）和Nature Communications（4篇）等国际高水平期刊上发表论文460余篇，他引次数为22000余次，并获得多项国际专利。

文献链接：Synthesis and applications of nanoporous perovskite metal oxides（Chem. Sci., 2018, DOI：10.1039/C7SC03920D

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