廈門大學發展了可控光催化生物質選擇轉化方法

2020-10-03 小材科研

廈門大學化學化工學院王野教授課題組與程俊教授課題組合作，在生物質光催化選擇轉化方面取得重要突破。研究團隊發展了一種調控TiO2表面結構以控制生物質轉化途徑的新方法，率先實現多種木質纖維素平臺分子的光催化還原選擇性調控，獲得高產率的加氫產物(精細化學品)或偶聯產物(燃料前驅體)。相關成果「Selectivity control in photocatalytic valorization of biomass-derived platform compounds by surface engineering of titanium oxide」發表於Chem (Chem 2020, DOI: 10.1016/j.chempr.2020.08.014)。

木質纖維素及其平臺分子多為富官能團化合物，其轉化路徑多樣且選擇性難控制。木質纖維素平臺分子定向轉化高產率製備目標產物是生物質利用領域的一大挑戰。王野教授團隊一直致力於生物質及其平臺分子選擇性催化轉化方向的研究，發展了一系列生物質轉化利用的新路線和高效催化體系(Nat. Commun. 2013, 4, 2141; ACS Catal. 2014, 4, 2175; Green Chem. 2018, 20, 735；Nat. Catal. 2018, 1, 772; ACS Catal. 2019, 9, 8443; ChemSusChem 2019, 12, 5023; Chem. Soc. Rev. 2020,49, 6198)。光催化可實現溫和條件下的高選擇性化學轉化，近年來光催化生物質高值化利用已經發展成為新興研究領域。由於底物的吸附/活化和反應過程均發生在催化劑表面，因此產物的選擇性一般由催化劑表面性質決定。然而當前有關光催化選擇性與半導體光催化劑表面性質的認識相對有限。發展反應路徑可控的生物質平臺分子轉化光催化體系對於生物質高效利用及高選擇性光催化劑設計均具有重要意義。

王野教授課題組最近研究發現，廉價、穩定且環境友好的TiO2半導體可高效催化多種木質纖維素平臺分子的可控還原轉化。光催化還原產物選擇性強烈依賴於TiO2的暴露晶面。主要暴露銳鈦礦{001}晶面的TiO2對加氫反應有高選擇性，加氫產物的選擇性均大於75%。而主要暴露金紅石{110}晶面的TiO2則可高效催化偶聯反應，偶聯產物選擇性高於80%。進一步與程俊教授課題組合作，對反應機理開展了深入研究。理論與實驗研究共同揭示，不同晶面反應過程中原位生成的氧空位濃度差異是決定反應選擇性的關鍵。氧空位可通過與表面反應物之間的相互作用，改變反應物及中間體的分子內電荷分布和吸附能，進而調控產物選擇性。

論文要點：1、生物平臺還原的選擇性取決於TiO2的暴露面；2、偶聯產物作為燃料前體的產量很高；3、表面氧空位在控制選擇性中起著關鍵作用；4、氧空位密度決定著被吸附物質的電子結構。

該論文第一作者為化學化工學院2015級博士畢業生吳雪嬌、2015級博士畢業生李潔瓊和固體表面物理化學國家重點實驗室謝順吉博士。論文中相關研究工作得到國家自然科學基金(21690082、21972115)等項目的資助。

來源：廈門大學、新材料資訊

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929420304241

相關焦點

  • 廈門大學王野教授近期催化成果集錦
    廈門大學王野教授課題組長期從事多相催化研究，近年來主要研究方向包括：（1）合成氣、二氧化碳以及其他C1分子的催化轉化，（2）光催化和電催化用於C1分子和生物質的化學合成，（3）生物質的催化轉化(木質纖維素及相關平臺分子)，（4）甲烷和低烷烴的C-H活化和選擇性轉化。今年來，王野教授及其合作者在上述相關領域有重要研究結果相繼發表。
  • 廈大「綜述」生物質高效利用新方向:光催化木質纖維素轉制化學品
    該文全面總結了新興的太陽能驅動木質纖維素轉化制化學品領域的研究進展，詳細討論了木質纖維素相關分子選擇性斷鍵和官能團定向活化的光催化反應機理，並對當前挑戰和未來發展方向做出了深入思考和前瞻性展望。木質纖維素由多糖（纖維素、半纖維素）和木質素組成，佔地球上植物類生物質的90%，是最主要的可再生碳資源。
  • 廈門大學王野等：串聯催化實現CO和CO2加氫制低碳烯烴
    合成氣（H2/CO）轉化和CO2加氫制低碳烯烴是各種碳資源和CO2化學利用的有吸引力的途徑，但目前都受到產物選擇性差的限制。然而通過串聯催化將CO或CO2活化為中間產物並隨後形成可控的C-C鍵以形成低碳烯烴，是一種很有前途的方法。
  • 省科學院測試分析所光催化生物質制氫取得新進展
    氫具有燃燒熱值高、無汙染的特點，被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源。但傳統制氫技術能耗大，且伴隨著大量二氧化碳釋放，利用可再生能源制氫一直是國內外的研究重點。 生物質是一種來源廣泛、儲量大、廉價且可持續利用的能源載體。
  • 王野/程俊/張慶紅：氧化鈦表面缺陷工程調控光催化反應選擇性
    光催化為在溫和條件下將生物質選擇性轉化為高價值化學品或燃料提供了廣闊的機遇儘管二氧化鈦已廣泛用於光催化汙染物的降解，析氫反應和CO2的還原，但很少有研究致力於基於TiO2的生物質或生物質衍生的平臺化合物的光催化增值品轉化。
  • 天津大學鄒吉軍|共軛聚合物基材料用於非均相光催化有機轉化反應
    共軛聚合物（CP）基材料由於其獨特的性質，如結構可設計性、可回收性、高化學穩定性和低成本，最近在多種光催化應用中顯示出巨大潛力，這些材料有望成為光氧化還原反應中傳統分子或無機光催化劑的非常有前景的替代品。在這篇綜述中，我們旨在總結基於CP的光催化劑在非均相光催化有機轉化(包括氧化、還原、偶聯和環加成反應)方面的最新進展。
  • 秸稈類生物質廢棄物衍生新型催化材料
    中青在線訊(周慧 中國青年報·中青在線記者 王磊）近日，合肥工業大學一項科研成果以秸稈類生物質廢棄物為原料，成功製備出多維數、多尺度、多形態的三維功能催化材料，可高效去除水體中有機及重金屬有毒汙染物，解決了秸稈類生物質廢棄物難以利用的難題。
  • 天津大學鄒吉軍｜共軛聚合物基材料用於非均相光催化有機轉化反應
    共軛聚合物（CP）基材料由於其獨特的性質，如結構可設計性、可回收性、高化學穩定性和低成本，最近在多種光催化應用中顯示出巨大潛力，這些材料有望成為光氧化還原反應中傳統分子或無機光催化劑的非常有前景的替代品。在這篇綜述中，我們旨在總結基於CP的光催化劑在非均相光催化有機轉化(包括氧化、還原、偶聯和環加成反應)方面的最新進展。
  • 光催化測試技術的主要性能介紹
    光催化生物質制氫技術可利用太陽能，將生物質轉化為氫氣，是一種非常有潛力的新能源生產方式，為生物質資源的循環利用和氫能的可持續發展提供一種新的解決途徑。在產業興旺發展的同時，如何評價光催化性能稱為擺在各國光催化工作者面前的難題。
  • 可控合成氮缺陷石墨相氮化碳光催化材料
    然而在光催化過程中，g-C3N4仍存在禁帶寬度較寬難以充分利用可見光、光生電子-空穴複合嚴重等問題。近期研究表明，在g-C3N4的框架中直接引入氮缺陷是解決上述問題的有效途徑之一。但已報導的引入氮缺陷的方法通常需要苛刻的反應條件並涉及多步操作過程，缺陷程度難以調控而且多為不均勻的表面缺陷，使光催化活性的提升大打折扣。
  • 理化所可控合成氮缺陷石墨相氮化碳光催化材料
    但已報導的引入氮缺陷的方法通常需要苛刻的反應條件並涉及多步操作過程，缺陷程度難以調控而且多為不均勻的表面缺陷，使光催化活性的提升大打折扣。因此，如何通過更簡便的途徑製備氮缺陷程度可控的g-C3N4，從而進一步提高其光催化活性具有重大研究意義。
  • 半導體光催化材料領域專利分析
    半導體光催化過程不僅能利用太陽光將廢氣、工業廢水分解為水和二氧化碳等無機小分子物質，還能通過光解水制氫獲取清潔能源，因此半導體光催化材料在環境和能源領域具有廣闊的應用前景。近年來，隨著半導體光催化技術的不斷發展，其應用拓展到電子設備、功能塗料、智能新材料等新興領域。本文中，筆者將從專利角度分析半導體光催化領域的發展概況。
  • 香港城市大學Angew光催化薄膜選擇性催化轉化二氧化碳製備甲烷
    研究背景人工光合作用捕獲氣態CO2排放，並利用太陽光的能量和空氣中的水分子將其轉化為高附加值的化學品是一項潛在的尖端技術。更多詳情：關注公眾號科研動態（ID：likesci）圖1. 氧化亞銅@Cu-MOF複合光催化劑合成示意圖在眾多光活性材料中，Cu2O通常具有有效的可見光吸收和有利於CO2還原的導帶位置。
  • 交大農生學院「生物質熱化學轉化」學生科技創新工作室本科生發表...
    近日，上海交大農業與生物學院「生物質熱化學轉化」學生科技創新工作室的催化熱解研究論文被Springer旗下的SCI期刊Journal of Thermal Analysis and Calorimetry錄用（論文題名：Reaction Chemistry and Kinetics of Corn Stalk Pyrolysis without
  • 科學網—期待「催」出更多生物質資源
    「其中主要為農林廢棄物（木質纖維素），我國於2007年和2011年分別公布了《可再生能源中長期發展規劃》《可再生能源『十二五』發展規劃》等，明確提出了開發利用生物質能源的路線和目標。並且從地球資源長遠消耗來看，開展生物質基有機碳資源有效循環利用方法的研究，對於地球環境和資源的保護具有重要的意義。」
  • MacMillan教你如何選擇光催化反應器
    膜拜大神的第一臺光催化反應器在過去的10年裡，光催化在有機合成中的應用得到了飛速的發展。然而，文獻報導的光催化實驗過程千差萬別，很大程度上限制和阻礙了光催化作為通用型實驗方法的推廣。我們知道，在可見光催化中光催化劑是一種能捕獲光能的分子，並將可見光轉化為化學能，利用這一技術促進了許多像光催化水的分解、CO2還原以及太陽能收集等重要研究的發展。最近，將可見光催化應用於合成有機化學已經成為了一個非常重要的研究領域。尤其是在最近10年裡，在有機化學領域報導了大量的光催化研究。
  • 太陽能生物質制氫
    劍橋大學的一個研究團隊開發出了一種使用太陽能發電從生物質中製取既可持續又相對便宜的氫氣的方法。現代社會面臨的挑戰之一是廢物產生的影響，隨著自然資源大量減少，政府和企業對使用廢物生產能源的需求越來越迫切。
  • 金屬硫化物光催化──可見光誘導的選擇性有機轉化反應
    關於金屬硫化物在光催化領域的研究，歷史悠久，從多相光催化興起之後便出現了。近些年來，由於材料新合成方法的出現、新機理的研究、以及新策略將金屬硫化物與金屬氧化物、金屬納米粒子或者其他新興材料結合的改進，關於金屬硫化物光催化的研究重新煥發了生機。
  • 復旦大學陳茂團隊：有機光催化「多樣化」可控自由基聚合
    對此，研發調控準確、操作簡便、適用範圍廣（單體種類、聚合物分子量及其分布）的合成方法尤為重要。通常，為合成不同拓撲結構的聚合物，人們需要從不同原料組合（單體、引發劑/鏈轉移試劑）出發。例如，在可控自由基聚合中，單體與常見引發劑通常導向線性聚合物。為獲得（超）支化聚合物，人們進而設計發展了由特定引發劑/鏈轉移試劑導向的合成方案。
  • 【催化】可再生胺基酸的化學製備
    將豐富的可再生碳資源和氨氣直接轉化成一系列胺基酸的高效化學方法亟待開發。近日，新加坡國立大學化學與分子生物系的顏寧教授課題組與廈門大學、東京大學、阿卜杜拉國王科技大學、美國國家可再生能源實驗室以及碳納米管上負載的釕納米顆粒（Ru/CNT）在羥基酸催化轉化為胺基酸的反應中表現出顯著優異的活性，主要得益於氨分子對Ru催化劑脫氫反應獨特的增強效應。基於該催化體系，葡萄糖在兩步化學反應中轉化為丙氨酸，收率43%，與微生物轉化體系相當。此外，該工作也完成了概念性工藝的設計，提出採用膜蒸餾的方式提純產物並通過實驗加以驗證。