倫敦大學學院唐軍旺教授｜分子催化劑助力氮化碳光催化高效產氫

2020-11-05 邃瞳科學雲


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第一作者：Dr. Christopher D. Windle 通訊作者：唐軍旺 教授 作者單位：倫敦大學學院 論文DOI：10.1039/D0SC02986F


研究亮點

1. 分子催化劑與氮化碳通過共價鍵結合，實現了高效、穩定的光催化氫氣製備。

2. 瞬態吸收光譜顯示，共價結合實現了亞微秒級的快速電子傳輸，光生電子的半衰期因分子催化劑的引入提高了1000倍以上。


研究背景

氫能以其潔淨、高效、無汙染的特點越來越引起關注，氫能製備也正成為國家能源發展戰略的一個重點領域。光催化技術為太陽能分解水制氫提供了一條完美路徑。然而要想大規模推廣應用還有幾個關鍵問題亟待解決：1. 目前大多產氫光催化劑需要擔載貴金屬，導致其成本過高，因此產氫催化劑的廉價化十分重要；2. 儘可能拓展光吸收範圍以有效利用太陽光；3. 長時間的穩定運行。


擬解決的關鍵問題

製備高效、長壽命、廉價的光催化劑以推動綠色氫能的普及。


成果簡介

自2009年氮化碳被首次製備並用於光催化產氫以來，它憑藉簡單的製備方法、優異的穩定性成為了明星光催化劑。然而，為提高產氫效率，一般需要在其表面沉積貴金屬納米顆粒，因此大大提高了其製備成本。有鑑於此，倫敦大學學院唐軍旺教授等人將不含貴金屬的分子催化劑共價嫁接在氮化碳表面，大大提高了光生電子向活性位點的傳輸速率，並將電子的半衰期提高了1000倍以上，實現了和擔載貴金屬相當的產氫效率，並可維持運行7天以上。這為穩定、高效光催化劑的製備提供了一種新的通用策略。

圖1. 分子催化劑-氮化碳共價結合高效產氫。


要點解析

要點1：偶聯反應實現共價結合

共價結合是通過芳基胺與芳基氯在叔丁醇鉀的催化下進行偶聯反應實現。對比反應前後的XPS圖譜，Cl元素的顯著減少證實了偶聯反應的有效進行。此外，用相同方法引入另一種分子催化劑的成功驗證了這種方法的通用性。

圖2. 催化劑的製備與XPS表徵。


要點2：高效、穩定的產氫性能

分子催化劑的特色是可以顯著提高氮化碳的產氫性能。此前報導的絕大多數文獻中，分子催化劑通過物理吸附附著在光催化劑表面，這導致其催化性能極短期內提高很多，可是產氫速率難以長時間保持，幾個小時就很快下降。而通過化學共價結合氮化碳和分子催化劑的光催化體系，在連續7天的分解水產氫性能測試中,產氫速率下降不到50%，顯示出卓越的穩定性。

圖3. 催化劑的光催化產氫性能。


要點3：顯著優化的電子傳輸性能

瞬態吸收光譜研究發現，引入分子催化劑之後，電子在亞微秒的時間內快速傳輸到分子催化劑。同時，電子半衰期從10μs提高到7 ms。這些結果表明分子催化劑大幅度提高了光生載流子的分離效率，進而有效推動還原反應的進行，同時大幅度抑制了逆反應的發生。

圖4. 光生電子在催化劑中的傳輸性能。


小結與展望

綜上，這項研究通過共價鍵嫁接分子催化劑實現了氮化碳高效、長時間的穩定產氫。

共價鍵嫁接分子催化劑到聚合物催化劑表面是一個全新的研究領域，對其全面和深入的研究必然會帶來催化領域新的性能和材料的突破，這篇文章介紹的思路與方法對於新型聚合物光催化劑的製備與研究具有普適的指導意義。


參考文獻

1. C. D. Windle, A. Wieczorek, L. Xiong, M. Sachs, C. Bozal-Ginesta, H. Cha, J. K. Cockcroft, J. Durrant and J. Tang, Chemical Science, 2020

2. R. Godin, Y. Wang, M. A. Zwijnenburg, J. Tang and J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5216-5224.

3. Y. O. Wang, M. K. Bayazit, S. J. A. Moniz, Q. S. Ruan, C. C. Lau, N. Martsinovich and J. W. Tang, Energy & Environmental Science, 2017, 10, 1643-1651.

4. Y. Wang, F. Silveri, M. K. Bayazit, Q. Ruan, Y. Li, J. Xie, C. R. A. Catlow and J. Tang, Advanced Energy Materials, 2018, 8, 1801084.

5. D. J. Martin, K. Qiu, S. A. Shevlin, A. D. Handoko, X. Chen, Z. Guo and J. Tang, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9240-9245.


作者介紹

唐軍旺教授，倫敦大學學院（University College London，簡稱UCL）材料中心主任以及光催化和高級材料反應工程研究組負責人，在新催化材料的設計和製備，光催化小分子活化（分解水制氫，甲烷轉化，二氧化碳轉化和合成氨），微波催化和光化學反應機理研究方面具有很深厚的造詣。目前在Nature Catalysis, Nature Energy, Nature Communications, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie等雜誌發表了150多篇文章，引用率>13500次，h因子55；申請和授權了11項專利，目前擔任Appl. Catal. B等多本雜誌主編。


課題組網站：https://www.ucl.ac.uk/solar-energy-advanced-materials/

Twitter: Tang_group_UK


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