單原子光催化技術(shù)助力解決能源短缺與環(huán)境污染問題
以環(huán)保為基礎(chǔ),新型光催化技術(shù)是一種具有戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)。在解決全球性能源短缺、二氧化碳排放和環(huán)境污染削減等重大問題方面,其應(yīng)用前景非常廣闊。因此,該技術(shù)目前已經(jīng)成為國(guó)際研究的前沿和熱點(diǎn)之一
近日,南開大學(xué)碳中和交叉科學(xué)中心、環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院周啟星教授課題組報(bào)道了一種氮摻雜碳包裹二氧化鈦負(fù)載的鐵(Fe)單原子催化劑,該催化劑同時(shí)具有Fe團(tuán)簇助催化位點(diǎn)和Fe單原子位點(diǎn),其對(duì)可見光的捕獲協(xié)同F(xiàn)e團(tuán)簇助催化位點(diǎn)可有效強(qiáng)化Fe單原子的本征催化效率,此研究為單原子光催化劑在環(huán)境與能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的解析思路。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》上
與傳統(tǒng)負(fù)載型光催化劑相比,單原子光催化劑表面的活性組分分布達(dá)到原子尺度,這就對(duì)單原子光催化劑效率和選擇性的控制提出了更高的挑戰(zhàn),特別是針對(duì)其本征活性位點(diǎn)的鑒別以及催化機(jī)制認(rèn)識(shí)還有不足。
周啟星教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),利用可見光以及單原子催化劑中易于形成的團(tuán)簇,可以協(xié)同優(yōu)化單原子催化位點(diǎn)的本征活性和選擇性,以此為依據(jù)構(gòu)建了有效利用太陽光的團(tuán)簇-單原子位點(diǎn)共存催化劑,其具有易于合成的調(diào)控的優(yōu)勢(shì),可以應(yīng)用于多種能源和環(huán)境反應(yīng),解決能源和環(huán)境污染問題。
“我們用汽車方向盤、發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油來打比方,就能很好地詮釋這個(gè)過程。在催化反應(yīng)過程中,F(xiàn)e團(tuán)簇作為一種助催化劑,其本身并不直接參與反應(yīng),其與反應(yīng)物過強(qiáng)的結(jié)合使其快速地被鈍化,如同發(fā)動(dòng)機(jī),默默付出,為汽車的前進(jìn)提供基礎(chǔ)?!痹撜撐牡谝蛔髡摺⒛祥_大學(xué)碳中和交叉科學(xué)中心、環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生莫凡介紹,F(xiàn)e原子位點(diǎn)在鄰近Fe團(tuán)簇的影響下,與周圍反應(yīng)物的成鍵強(qiáng)度顯著下降,從而實(shí)現(xiàn)了快速的吸附-脫附循環(huán),如同方向盤,牢牢把控汽車行進(jìn)方向。而可見光在此過程中發(fā)揮出了汽油的作用,其作為能源持續(xù)推動(dòng)反應(yīng)的進(jìn)行。具體來說,可見光的存在誘導(dǎo)光生空穴的產(chǎn)生,從而加速了Fe與反應(yīng)物的電子交換。
研究還表明,由于優(yōu)異的選擇性和活性,此類催化劑和構(gòu)筑策略不僅可以用于加速持久性有機(jī)污染物的降解和環(huán)境凈化,還可用于更廣泛的場(chǎng)景和領(lǐng)域:當(dāng)以二氧化碳作為反應(yīng)物,優(yōu)化的結(jié)合強(qiáng)度可以調(diào)控二氧化碳還原反應(yīng)的速率和方向,從而按需合成多種化學(xué)品,解決能源短缺問題;當(dāng)以氧化劑為反應(yīng)物,理想的電子交換數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)特定自由基的形成,有效地去除特定污染物,助力環(huán)境問題的解決;當(dāng)以有機(jī)物作為反應(yīng)物,合理的結(jié)合強(qiáng)度可以有效實(shí)現(xiàn)特定有機(jī)分子的形成,解決化學(xué)工業(yè)合成中的選擇性問題;當(dāng)以水分子作為反應(yīng)物,調(diào)控的作用強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)快速的綠色能源-氫能的產(chǎn)生。
周啟星教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)此類催化劑的性能優(yōu)化和機(jī)制探索的研究,可以進(jìn)一步推動(dòng)單原子光催化劑的理論研究和應(yīng)用,從而更好地解決能源短缺與環(huán)境污染問題。