北理工團隊在光催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得新進展
發(fā)布日期：2024-12-03 供稿：材料學院 劉佳 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學張加濤教授團隊在光催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得重要進展,，相關(guān)研究成果以“Bioinspired catalytic pocket promotes CO2-to-ethanol photoconversion on colloidal quantum wells ”為題在國際頂級期刊《Science Advances》發(fā)表（DOI: 10.1126/sciadv.adq2791）。這一研究成果為利用太陽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)計思路。
北京理工大學材料學院劉佳副教授,，武漢大學顧向奎教授,，北京理工大學化學與化工學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,。
長期以來,，人類社會發(fā)展的能量來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)全球變暖等嚴峻環(huán)境問題,，給人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。以潔凈,、豐富,、可再生的太陽光作為能量來源，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)”,、實現(xiàn)“碳中和”目標提供了一種理想的解決途徑。然而,，由于該過程涉及復(fù)雜的多電子/質(zhì)子轉(zhuǎn)移及碳-碳耦合表面反應(yīng)機制,，光能到化學能轉(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瓶頸,。針對這一難題,，張加濤教授研究團隊受到自然界生物酶催化中心多級結(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數(shù)量級，且選擇性高達98.2%,。
圖1 類酶多功能協(xié)同催化中心光催化劑設(shè)計原理
圖2 光催化二氧化碳還原活性與選擇性研究
理論計算與光譜研究表明：所設(shè)計的NH2…Cu-Se(-Zn)多功能協(xié)同催化中心能夠通過NH2與CO2形成穩(wěn)定的化學鍵合,，使得原本為化學惰性的線型CO2分子發(fā)生彎曲形成化學活性構(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)移過程,，轉(zhuǎn)化為CO并轉(zhuǎn)移至Cu位點；臨近的Se位點奪取Cu吸附的CO并通過加氫反應(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，從熱力學上傾向于最終生成乙醇產(chǎn)物,，實現(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)計策略有望進一步應(yīng)用于其他復(fù)雜的光催化過程,，對于解決太陽能光-化學轉(zhuǎn)化效率低,、選擇性差的瓶頸問題具有重要的指導(dǎo)意義。
該研究受到國家自然科學基金,、國家重點研發(fā)計劃,、中國科學院戰(zhàn)略重點研究項目資助。
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
附作者簡介：
劉佳,，北京理工大學材料學院長聘副教授,，博士生導(dǎo)師。主要從事太陽能光-化學轉(zhuǎn)化催化材料的設(shè)計與合成,，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,，主持國家自然科學基金項目3項。
張加濤,，北京理工大學化學與化工學院院長,，結(jié)構(gòu)可控先進功能材料與綠色應(yīng)用北京市重點實驗室主任，英國皇家化學會會士,，獲得國家優(yōu)秀青年基金,。主要從事半導(dǎo)體納米材料合成化學、組裝及其光電新能源,、生物醫(yī)學應(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.等國際頂級SCI學術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，研究工作已被他人引用1萬余次,。目前擔任中國材料研究學會納米材料與器件分會副理事長,，中國化學會理事，中國化工學會化學工程專業(yè)委員會委員,，中國化工學會智能制造專委會委員,，中國金屬學會功能材料分會委員等職。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊執(zhí)行副主編,，Nano Res., PNS: MI,、Rare Metals 3個SCI期刊編委。榮獲2019國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會（IUPAC）新材料及合成杰出獎,、中國材料學術(shù)聯(lián)盟IFAM2018青年科學家獎,、2023/24年科睿唯安全球高被引科學家等。
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