化工學(xué)院李偉副教授課題組在《Nature Communications》上發(fā)表最新研究成果

近日，我校化學(xué)與化工學(xué)院李偉副教授課題組在有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合光催化薄膜制備和平板式分解水制氫方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“0.68% of solar-to-hydrogen efficiency and super-high photostability: Panel H₂O-to-H₂ conversion based on a novel organic-inorganic membrane catalyst”為題發(fā)表在Nature子刊《Nature Communications》（自然指數(shù)期刊，綜合性1區(qū)TOP期刊），我校為第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院李偉副教授為第一作者和通訊作者，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（碳中和科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）王傳義教授為共同通訊作者，課題組段汶碩士為第一實(shí)驗(yàn)完成人。國(guó)家自然科學(xué)基金（22376131）提供經(jīng)費(fèi)支持。該研究受到日本知名學(xué)者Domen教授的技術(shù)點(diǎn)評(píng)，并得到了中國(guó)科學(xué)院趙進(jìn)才院士的鼎力支持。該研究的發(fā)表極大地推進(jìn)了我校在相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的影響力。

近年來(lái)，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光催化技術(shù)被視為是解決環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題的前瞻性策略。其中，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的平板H₂O-to-H₂ (HTH)轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成增值化學(xué)能的新型生產(chǎn)技術(shù)。然而，由于平板反應(yīng)器中流體和氣泡的機(jī)械剪切力影響，絕大多數(shù)的常歸顆粒光催化劑在平板反應(yīng)器中難以維持穩(wěn)定的光催化性能，而且單一的光驅(qū)動(dòng)催化機(jī)制對(duì)于獲得更高的催化性能顯然存在很大的局限性，不利于該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用推廣。本課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建穩(wěn)定的光催化薄膜可以有效解決顆粒光催化劑存在的上述不足，能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的激子分離，獲得更為高效和持久穩(wěn)定的催化性能表現(xiàn)。

本研究首先制備了一種具有快速激子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)（CdS-to-Pt）的高活性CdS@SiO₂-Pt光催化劑，將其與有機(jī)鐵電PVDF復(fù)配，采用高分子的加工方法將其制備成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜。研究表明，該復(fù)合光催化薄膜因其協(xié)同的有機(jī)-無(wú)機(jī)界面電子相互作用，顯示出超高的耐光性和優(yōu)異的分離回收性能，極大地克服了無(wú)機(jī)顆粒催化劑在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足，且在堿性條件下可以進(jìn)行高效的模擬太陽(yáng)光驅(qū)HTH轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化速率為213.48 mmol?m^-2?h^-1，STH（solar-to-hydrogen）轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了0.68%。尤為重要的是，該光催化薄膜被重復(fù)使用50次后（工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)300 h），其形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，仍保持穩(wěn)定的活性表現(xiàn)。

基于該薄膜光催化材料，本課題組自行組建了可進(jìn)行室內(nèi)和室外作業(yè)的平板式光催化反應(yīng)系統(tǒng)，取得了初步的研究進(jìn)展。該研究為平板光催化制氫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。

CdS@SiO₂-Pt光催化劑和有機(jī)-無(wú)機(jī)光催化薄膜的制備與表征；平板制氫反應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)照片

文章信息：

W. Li*, W. Duan, G. Liao, F. Gao, Y. Wang, R. Cui, J. Zhao, C. Wang*. 0.68% of solar-to-hydrogen efficiency and high photostability of organic-inorganic membrane catalyst. Nat. Commun. 2024, 15, 6763. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51183-2

新聞小貼士：

李偉，副教授，碩士生導(dǎo)師。主持國(guó)家自然科學(xué)基金-面上項(xiàng)目/青年項(xiàng)目2項(xiàng)，校級(jí)博士啟動(dòng)項(xiàng)目1項(xiàng)，成果轉(zhuǎn)化1項(xiàng)。主要從事微納催化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備、光催化水體污染物的凈化處理及高值轉(zhuǎn)化、光催化制氫技術(shù)的開發(fā)等相關(guān)研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nat. Commun.; Appl. Catal. B-Environ.; Small; J. Catal.; Chem. Eng. J.; J. Mater. Chem. A; Solar RRL; Renew. Energy; Environ. Sci.: Nano; ACS Sustainable Chem. Eng.等國(guó)際權(quán)威刊物60余篇，參編外文學(xué)術(shù)專著1部，ESI高被引論文3篇，總被引頻次2500余次，H指數(shù)29 (Scopus)，授權(quán)發(fā)明專利5件。入選2023年度全球前2%TOP科學(xué)家榜單（美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)布），《Frontiers In Catalysis》雜志評(píng)審編委，云南省、江西省、黑龍江省科技廳專家?guī)煸u(píng)委，全國(guó)研究生教育評(píng)估監(jiān)測(cè)專家?guī)鞂＜?，第四屆石墨烯、氮化碳等光催化材料?guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)組委會(huì)成員，受邀擔(dān)任Adv. Mater.; Adv. Energy Mater.; Adv. Function. Mater.; Appl. Catal. B-Environ.; Small; J. Hazard. Mater.; ChemSusChem; Chem. Commun.; J. Clean. Prod.; Appl. Surf. Sci; Renew. Energy等刊物審稿人。

（核稿：黃文歡 編輯：郭乃力）