單原子光催化技術助力解決能源短缺與環(huán)境污染問題
以環(huán)保為基礎,新型光催化技術是一種具有戰(zhàn)略性的新興產業(yè)技術。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,其應用前景非常廣闊。因此,該技術目前已經成為國際研究的前沿和熱點之一
近日,南開大學碳中和交叉科學中心、環(huán)境科學與工程學院周啟星教授課題組報道了一種氮摻雜碳包裹二氧化鈦負載的鐵(Fe)單原子催化劑,該催化劑同時具有Fe團簇助催化位點和Fe單原子位點,其對可見光的捕獲協同Fe團簇助催化位點可有效強化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)境與能源領域的應用提供了新的解析思路。相關成果發(fā)表在國際期刊《美國科學院院報》上
與傳統(tǒng)負載型光催化劑相比,單原子光催化劑表面的活性組分分布達到原子尺度,這就對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),特別是針對其本征活性位點的鑒別以及催化機制認識還有不足。
周啟星教授團隊研究發(fā)現,利用可見光以及單原子催化劑中易于形成的團簇,可以協同優(yōu)化單原子催化位點的本征活性和選擇性,以此為依據構建了有效利用太陽光的團簇-單原子位點共存催化劑,其具有易于合成的調控的優(yōu)勢,可以應用于多種能源和環(huán)境反應,解決能源和環(huán)境污染問題。
“我們用汽車方向盤、發(fā)動機和汽油來打比方,就能很好地詮釋這個過程。在催化反應過程中,Fe團簇作為一種助催化劑,其本身并不直接參與反應,其與反應物過強的結合使其快速地被鈍化,如同發(fā)動機,默默付出,為汽車的前進提供基礎?!痹撜撐牡谝蛔髡摺⒛祥_大學碳中和交叉科學中心、環(huán)境科學與工程學院博士生莫凡介紹,Fe原子位點在鄰近Fe團簇的影響下,與周圍反應物的成鍵強度顯著下降,從而實現了快速的吸附-脫附循環(huán),如同方向盤,牢牢把控汽車行進方向。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)推動反應的進行。具體來說,可見光的存在誘導光生空穴的產生,從而加速了Fe與反應物的電子交換。
研究還表明,由于優(yōu)異的選擇性和活性,此類催化劑和構筑策略不僅可以用于加速持久性有機污染物的降解和環(huán)境凈化,還可用于更廣泛的場景和領域:當以二氧化碳作為反應物,優(yōu)化的結合強度可以調控二氧化碳還原反應的速率和方向,從而按需合成多種化學品,解決能源短缺問題;當以氧化劑為反應物,理想的電子交換數量可以實現特定自由基的形成,有效地去除特定污染物,助力環(huán)境問題的解決;當以有機物作為反應物,合理的結合強度可以有效實現特定有機分子的形成,解決化學工業(yè)合成中的選擇性問題;當以水分子作為反應物,調控的作用強度可以實現快速的綠色能源-氫能的產生。
周啟星教授團隊針對此類催化劑的性能優(yōu)化和機制探索的研究,可以進一步推動單原子光催化劑的理論研究和應用,從而更好地解決能源短缺與環(huán)境污染問題。