| 新興前沿——化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域 |
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| 高性能HER和ORR光催化劑的開發(fā)及其在太陽能燃料合成中的應(yīng)用 |
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鑒于可擴(kuò)展性和成本效益等因素，在各種各樣通過人工光合作用獲取太陽能燃料的反應(yīng)中，太陽能驅(qū)動的水裂解制氫反應(yīng)（HER）以及利用地球豐富的水和氧氣進(jìn)行人工光合成H2O2的雙電子氧還原反應(yīng)（ORR）受到了眾多研究者的關(guān)注。
在該新興前沿方向中，主要探討了高性能HER和ORR光催化劑的制備和優(yōu)化路徑，以實(shí)現(xiàn)太陽能燃料（氫氣和雙氧水）的高效、快速制取。其中，針對HER光催化劑制取氫氣均圍繞提高共價(jià)有機(jī)框架化合物（COF）穩(wěn)定性和提升電子離域能力兩方面展開。中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所采用將COF中的N—酰腙連接基元（H-COF）不可逆氧化環(huán)化形成芳香性的惡二唑連接基元（ODA-COF）的策略，實(shí)現(xiàn)了COF化學(xué)穩(wěn)定性和π電子離域能力的同時(shí)提高，制備的ODA-COF應(yīng)用于光催化制氫可產(chǎn)生比不經(jīng)修飾的H-COF多4倍的氫氣。由于碳碳雙鍵連接單元具有良好的穩(wěn)定性且利于電子離域，青島科技大學(xué)基于Knoevenagel反應(yīng)，制備了高結(jié)晶性的碳碳雙鍵連接的共軛COF（苯并二噻唑結(jié)構(gòu)）材料，利用其光催化制氫的產(chǎn)氫速率可達(dá)15.1mmolh-1g-1。
針對ORR光催化制取H2O2研究，該新興前沿方向主要涉及COF和無機(jī)BiVO4兩種光催化材料的制備及其在H2O2合成中的應(yīng)用。中國的三峽大學(xué)和澳大利亞的斯威本科技大學(xué)首次實(shí)驗(yàn)證明基于聯(lián)吡啶的共價(jià)有機(jī)框架光催化劑（表示為COF-TfpBpy）可以在不存在犧牲試劑或緩沖液的情況下光催化生成H2O2。北京理工大學(xué)則開發(fā)了一種部分氟化、無金屬、亞胺連接的二維三嗪共價(jià)有機(jī)框架（TF50-COF）光催化劑，實(shí)現(xiàn)了1739μmolh-1g-1的H2O2產(chǎn)率。此外，浙江大學(xué)和日本中央大學(xué)利用無機(jī)Mo摻雜的多面BiVO4（Mo：BiVO4）制備了高效整體光催化H2O2生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)可顯著增強(qiáng)電荷分離并可抑制電荷載流子的快速捕獲和復(fù)合，在全光譜下表觀量子產(chǎn)率為1.2%，太陽能到化學(xué)的轉(zhuǎn)化效率為0.29%，創(chuàng)下了無機(jī)半導(dǎo)體系統(tǒng)的新紀(jì)錄。■
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2023年12月刊 封面)