我校在光催化CO2还原方面取得重要进展

发布时间:2021-08-14文章来源:​省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室 化学工程与技术学院 杨帆浏览次数:760

近日,《自然•催化》(Nature Catalysis, IF: 41.813)在线发表了我校仲崇立教授团队、梅东海教授团队与中国科学技术大学江海龙教授团队合作完成的题为“Self-adaptive dual-metal-site pairs in metal-organic frameworks for selective CO2 photoreduction to CH4”的学术论文(Jian Li#, Hongliang Huang#, Wenjuan Xue#, Kang Sun#, Xiaohui Song, Chunrui Wu, Lei Nie, Yang Li, Chengyuan Liu, Yang Pan, Hai-Long Jiang*, Donghai Mei* and Chongli Zhong*, Nat. Cat., 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00665-3)。


气候变化是人类面临的全球性问题,我国提出2030年碳达峰和2060年碳中和目标。CO2作为可再生的C1资源,利用太阳能驱动CO2转化为燃料,被认为是缓解日益严重的能源危机和环境问题的一个重要途径。以C1产物为例,光还原CO2的产物倾向于COHCOOH,而不是热力学上有利的CH4。该过程涉及多电子-质子耦合过程,伴随着多种C1中间体,而这些中间体从催化位点上的脱落,将影响产物CH4的选择性和活性。因此,开发可抑制动力学产物,强化C1中间体与催化位点之间结合力的催化剂,为光还原CO2CH4的关键。



双金属位点自适应协同光催化CO2示意图


本工作受“仿生”设计启发,开发了“柔性双位点(DMSPs)”催化剂,实现了活性位点随反应进程“自适应”变化的催化过程(图1),可稳定光还原CO2过程中的C1中间体,从而提高了CH4的选择性。为了赋予金属催化位点“自适应”能力,柔性的乙二胺四乙酸(EDTA)分子被嫁接到MOF-808Zr簇上,然后通过金属离子鳌合,得到MOF-808-CuNi DMSPs催化剂,其同时包含CuNi两种单位点。由于MOF-808-CuNi催化剂具有柔性催化位点,其可动态“自适应”C1中间体的三维构型,“智能”调节催化位点与C1中间体的结合强度,防止中间体的脱落。因此,光还原CO2CH4的电子选择性(Selelectron)达到99.4%,产物选择性(Selproduct)达到97.5%,活性达到158.7 μmol•g-1•h-1。该工作提出了一种新颖的柔性“自适应”双位点策略,可用于实现高选择性的非均相催化过程。

该工作的四位共同第一作者为李健博士、黄宏亮副教授、博士生薛文娟和孙康,仲崇立教授、江海龙教授、梅东海教授为共同通讯作者。本工作受到科技部国家重点研发计划项目(No. 2016YFB0600901)、国家自然科学基金(No. 22038010, 21978212, 21725101, 22161142001, 91961119, 21521001)以及天津市科技计划(No. 18PTSYJC00180, 19PTSYJC00020)的资助。本工作要特别致谢北京同步辐射装置以及我校分析测试中心在分析测试方面给予的大力支持!(审稿:科学技术研究院 桂建舟 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室 何本桥 编辑:宣传部 石晓霞)


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