康振輝JMCA：一石二鳥，無金屬光催化劑選擇性生產氫氣和過氧化氫

2020-08-11 光催化前沿

環境汙染和能源危機刺激人們探索清潔和可重複利用的能源資源，H2是一種綠色的無碳能源資源，已經展示出了優異的替代化石能源的潛力。一方面，通過光催化全解水直接產生氫氣是一種有前途和可以大規模應用的方式。另一方面，H2O2被廣泛應用於藥物和化學工業等領域，也是可供選擇替代傳統能源的替代品，製備H2O2有一些清潔和廉價的方法，例如光合成方法。在光催化體系中最理想的方式就是將太陽能在水基反應中直接轉化為可儲存的化學能（H2和H2O2），產生H2和H2O2隻需要陽光，水和氧氣。然而，水裂解產生氫氣的機制和自由能不同於氧氣反應產生的H2O2。一般來說，在幾乎所有的光催化研究中，將重點放在了單功能的催化反應上，也就是說光催化劑僅能實現單一反應，例如僅僅水裂解產生H2或者O2還原得到H2O2。因此，在一個光催化劑上產生H2和H2O2有著重要的實際意義。

近些年的研究報導已經證實了光催化劑的多功能性質，例如制氫和烯烴加氫，制氫和有機降解，制氫和還原二氧化碳。然而，多功能光催化劑產生H2和H2O2沒有被報導。由於H2O2有著低的產量，水裂解的中間產物和容易水解。值得注意的是，在光催化中催化材料低成本，高效和功能可切換，這樣的催化劑被被認為是一種理想的光催化劑。最近，間苯二酚-甲醛樹脂被報導是一種窄帶隙的無金屬光催化劑用於合成H2O2在單一的功能反應中。在這個領域，最有挑戰性的就是設計和合成高效的多功能無金屬光催化劑。基於水裂解反應人工光催化合成H2和H2O2。

康振輝教授課題組為了去合成多功能無金屬光催化劑用於高效和選擇性的產生H2和H2O2，在這項工作中，一個無金屬聚合物催化劑花青素-甲氧基-苯甲醛（PC-MB）被合成通過光敏染料原花青素（PC）和4-甲氧基苯甲醛（MB）的聚合反應。這些催化劑表現出優異的吸光性和功能可轉換的催化特性，即通過控制反應氣氛可以選擇性地產生氫或過氧化氫。PC-MB材料只有在沒有空氣的情況下才具有將水分解的能力，其中，H2的逸出與O2的形成通過一步4e途徑耦合。 氫氣效率為252.02μmolh-1g-1，在1.75 mW cm-2的光照強度下，從太陽能到氫（STH）的轉換效率可高達0.85％。 切換功能後，當催化劑在空氣中時，僅檢測到過氧化氫，從而通過兩條通道（水氧化反應和氧化還原反應）獲得了唯一的產物。 在空氣中（照明強度為31.27 mW cm-2），過氧化氫的產量可以達到1385.42μmolh-1g -1。 有了電化學實驗，原位瞬態光電壓（TPV）測試和動力學分析的證據，人們對功能切換型光催化劑上高效，選擇性地生產氫氣和過氧化氫有了清晰而基本的了解。







文章連結：https://doi.org/10.1039/D0TA03974H

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  • 網友問：是否存在一種催化劑，能不斷地把水分解為氧氣和氫氣？
    理論上這樣的催化劑是不存在的，除非加入的不是催化劑，而是和水發生化學反應的物質，比如鈉和水反應可以生成氫氣，鋁和水在加熱的條件下也可以產生氫氣，這時候將消耗的是加入的反應物，其成本並不比燒汽油低。在化學反應當中，催化劑是指能改變化學反應速度，但是在反應前後量不發生變化，也不改變化學平衡的物質。
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