北理工團隊在光催化二氧化碳還原領域取得新進展
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域取得重要進展,，相關研究成果以“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,，由于該過程涉及復雜的多電子/質(zhì)子轉(zhuǎn)移及碳-碳耦合表面反應機制，光能到化學能轉(zhuǎn)化效率低,、反應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構與協(xié)同催化原理的啟發(fā),，基于ZnSe二維量子阱構建了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機理研究
該研究成果展示了仿酶催化中心結構與功能設計在開發(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計策略有望進一步應用于其他復雜的光催化過程,，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，博士生導師,。主要從事太陽能光-化學轉(zhuǎn)化催化材料的設計與合成,，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，結構可控先進功能材料與綠色應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。主要從事半導體納米材料合成化學,、組裝及其光電新能源,、生物醫(yī)學應用研究。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國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）新材料及合成杰出獎,、中國材料學術聯(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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