北理工團(tuán)隊(duì)在光催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-12-03 供稿：材料學(xué)院 劉佳 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)張加濤教授團(tuán)隊(duì)在光催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以“Bioinspired catalytic pocket promotes CO2-to-ethanol photoconversion on colloidal quantum wells ”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Advances》發(fā)表（DOI: 10.1126/sciadv.adq2791）,。這一研究成果為利用太陽(yáng)能將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳基能源燃料提供了全新的光催化劑設(shè)計(jì)思路。
北京理工大學(xué)材料學(xué)院劉佳副教授，武漢大學(xué)顧向奎教授,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院張加濤教授為本論文共同通訊作者,，博士研究生潘容容、王琪,、趙巖,、馮振東為共同第一作者。
長(zhǎng)期以來(lái),，人類社會(huì)發(fā)展的能量來(lái)源主要依賴于碳基化石能源,，這些不可再生能源的大規(guī)模開采和使用導(dǎo)致能源日益枯竭，且排放的二氧化碳引發(fā)全球變暖等嚴(yán)峻環(huán)境問(wèn)題,，給人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn),。以潔凈、豐富,、可再生的太陽(yáng)光作為能量來(lái)源,，利用半導(dǎo)體光催化劑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇等高附加值能源燃料，為建立 “人工碳循環(huán)”,、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)提供了一種理想的解決途徑,。然而，由于該過(guò)程涉及復(fù)雜的多電子/質(zhì)子轉(zhuǎn)移及碳-碳耦合表面反應(yīng)機(jī)制,，光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率低,、反應(yīng)選擇性差是目前研究中所面臨的主要科學(xué)瓶頸。針對(duì)這一難題,，張加濤教授研究團(tuán)隊(duì)受到自然界生物酶催化中心多級(jí)結(jié)構(gòu)與協(xié)同催化原理的啟發(fā),，基于ZnSe二維量子阱構(gòu)建了NH2…Cu-Se(-Zn)多功能協(xié)同催化中心，在光催化二氧化碳還原制乙醇反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了5.5 mmol/g/h的轉(zhuǎn)化速率,，相較目前同類研究水平提高了一至三個(gè)數(shù)量級(jí),，且選擇性高達(dá)98.2%。
圖1 類酶多功能協(xié)同催化中心光催化劑設(shè)計(jì)原理
圖2 光催化二氧化碳還原活性與選擇性研究
理論計(jì)算與光譜研究表明：所設(shè)計(jì)的NH2…Cu-Se(-Zn)多功能協(xié)同催化中心能夠通過(guò)NH2與CO2形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合,，使得原本為化學(xué)惰性的線型CO2分子發(fā)生彎曲形成化學(xué)活性構(gòu)型,；吸附于NH2的曲型CO2在NH2與Cu的協(xié)同作用下，發(fā)生多步質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過(guò)程,，轉(zhuǎn)化為CO并轉(zhuǎn)移至Cu位點(diǎn),；臨近的Se位點(diǎn)奪取Cu吸附的CO并通過(guò)加氫反應(yīng)使其轉(zhuǎn)變?yōu)镃HO，隨后與Cu上吸附的CO發(fā)生不對(duì)稱碳-碳耦合,；所形成的COCHO中間體在附近NH2的協(xié)同穩(wěn)定作用下,，從熱力學(xué)上傾向于最終生成乙醇產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)CO2到乙醇的高選擇性轉(zhuǎn)化,。
圖3 光催化二氧化碳還原反應(yīng)機(jī)理研究
該研究成果展示了仿酶催化中心結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)在開發(fā)高效光催化材料方面的巨大潛力,，這種創(chuàng)新性的催化劑表面設(shè)計(jì)策略有望進(jìn)一步應(yīng)用于其他復(fù)雜的光催化過(guò)程，對(duì)于解決太陽(yáng)能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化效率低、選擇性差的瓶頸問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義,。
該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項(xiàng)目資助,。
論文詳情：Rongrong Pan?, Qi Wang?, Yan Zhao?, Zhendong Feng?, Yanjun Xu, Zhuan Wang, Yapeng Li, Xiuming Zhang, Haoqing Zhang, Jia Liu*, Xiang-Kui Gu*, Jiangwei Zhang, Yuxiang Weng, Jiatao Zhang*,Bioinspired catalytic pocket promotes CO2-to-ethanol photoconversion on colloidal quantum wells, Science Advances, 2024, 10, eadq2791.
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq2791
附作者簡(jiǎn)介：
劉佳,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院長(zhǎng)聘副教授，博士生導(dǎo)師,。主要從事太陽(yáng)能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化催化材料的設(shè)計(jì)與合成,，以第一/通訊作者在Chem. Rev., Sci. Adv., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊發(fā)表論文30余篇，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng),。
張加濤，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院院長(zhǎng),，結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料與綠色應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，獲得國(guó)家優(yōu)秀青年基金,。主要從事半導(dǎo)體納米材料合成化學(xué),、組裝及其光電新能源、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究,。以第一/通訊作者在Nature, Science, Chem. Rev., Nature Nanotech., Sci. Adv., Nature Commun., JACS, Chem, Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等國(guó)際頂級(jí)SCI學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇,，研究工作已被他人引用1萬(wàn)余次。目前擔(dān)任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)副理事長(zhǎng),，中國(guó)化學(xué)會(huì)理事,，中國(guó)化工學(xué)會(huì)化學(xué)工程專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)智能制造專委會(huì)委員,，中國(guó)金屬學(xué)會(huì)功能材料分會(huì)委員等職,。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊執(zhí)行副主編，Nano Res., PNS: MI,、Rare Metals 3個(gè)SCI期刊編委,。榮獲2019國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）新材料及合成杰出獎(jiǎng)、中國(guó)材料學(xué)術(shù)聯(lián)盟IFAM2018青年科學(xué)家獎(jiǎng),、2023/24年科睿唯安全球高被引科學(xué)家等,。
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