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王心晨教授成果精选丨如何玩转光催化?看看大牛传授怎么做

来源:未知 时间:2019-12-12 15:18 点击:

 1. Appl. Catal., B无模板法制备碳掺杂氮化硼纳米片及其增强的光催化产氢性能

光催化分解水产氢是将太阳能直接转化为化学能的有效策略,也是解决世界能源和环境危机的一种长久和可持续的方法。本文中作者利用固-气反应和硼源的分子设计合成了无金属的碳掺杂氮化硼(BCN)催化剂。实验中分别以磷酸三聚氰胺硼酸盐(MPB)、三聚氰胺硼酸盐(MB)、硼酸(BA)和氧化硼(BO)为硼源与葡萄糖混合进行材料的合成。

其中,BCN-MPB为纳米片,这与其他三种产物不同(BCN-MB、BCN-BA、BCN-BO)。与块体BCN相比,BCN-MPB具有更大的比表面积、更长的光生载流子寿命和更强的电子输运能力。因此,其在可见光辐射下具有增强的光催化产氢性能

这项研究提供了一种温和、无模板的合成方法,可以用以环境友好、稳定以及廉价光催化剂的理性设计与制备,也为在可持续光能转换中调控催化剂的光反应性能铺平了道路。

Template-free synthesis of carbon-doped boron nitride nanosheets for enhanced photocatalytic hydrogen evolution, Appl. Catal., B, 2019, 241, 246-255.

 

2. Appl. Catal., B:新型无贵金属二元光催化剂Na8Ta6O19/ Cd0.7Zn0.3S及其高效的可见光驱动产氢性能

多金属氧酸因其高效、廉价、可循环使用和环境友好的特性而成为了光催化产氢领域极具前景的光催化剂之一。本文中作者将多金属氧酸盐与金属硫化物复合制备了无贵金属的二元光催化剂,其在可见光下具有较高的产氢效率。作者合成了一系列基于钽酸盐Na8Ta6O19和金属硫化物CdxZn(1-x)S的复合异质光催化剂。

结果表明,即使没有助催化剂的存在,Na8Ta6O19/CdxZn(1-x)S也表现出了高效的产氢能力。在420 nm光源照射下,其表观量子产率为37%,最大产氢率可达43.05mmol h-1g-1,这是目前多金属氧酸盐基光催化剂的最高产率。这项工作为开发高效、新型光催化剂提供了新的策略,也为光催化反应中多金属氧酸盐对于太阳能的可持续利用指明了道路。

Combination of polyoxotantalate and metal sulfide: A new-type noblemetal-free binary photocatalyst Na8Ta6O19/Cd0.7Zn0.3S for highly efficient visible-light-driven H2 evolution, Appl. Catal., B, 2019, 248, 423-429.

 

3. Appl. Catal., B:基于光刻蚀构筑氮空位的聚合氮化碳及其无金属产氧性能研究

光催化分解水中稳定的助催化剂可以加速析氧反应的发生(OER)。然而,大多数OER助催化剂为贵金属氧化物,半导体与助催化剂间松散的界面使得电荷的输运效率不高。因此,设计同时具有光富集能力和催化中心的OER光催化剂就成为了科研工作者研究的热点。

本文中作者利用光刻蚀法在聚合氮化碳(PCN)中构筑氮空位(NVs),研究表明,这些嵌入其中的氮空位可以作为OER催化反应的活性中心,促进OER反应中光生载流子的迁移。因此,在没有贵金属助催化剂参与的情况下,相比没有氮空位的PCN,PCN-NVs依然表现出了增强的析氧效率

此外,通过其他前驱物得到的PCN同样可以使用光刻蚀的方法进行处理,从而促进光催化析氧反应的发生。这一结果为设计同时具有光富集和催化特性的光能转换物质,从而将其应用在合成化学中提供了新的方法。

Photocarving nitrogen vacancies in a polymeric carbon nitride for metal-free oxygen synthesis, Appl. Catal., B, 2019, 256, 117794.

 

4. Angew. Chem. Int. Ed.Melon聚合物网络中的碳空位及其对光催化CO2还原反应的促进作用

利用光催化反应将CO2转化为燃料和化学品,这是一个极具前景但又充满挑战的领域。该反应中的瓶颈就是由于线性CO2分子具有化学惰性,因此需要将其活化。

本文中作者基于缺陷工程的思想,通过在Melon聚合物(MP)网络中植入碳缺陷(CVs)从而构筑了CO2的活性位点。正电子湮没谱结果证实了CVs在MP骨架中的位置和密度。此外,原位漫反射傅立叶变换红外光谱和DFT证明CVs可在稳定COOH*中间体时作为CO2活化的活性位点,因此促进了反应动力学过程的进行。

实验结果表明,相比未经修饰的MP,MP-TAP-CVs将CO2转换为CO的能力提升了45倍之多,在420 nm光照条件下,其表观量子效率达到4.8%。这项工作为设计聚合物半导体的CO2高效转化反应提供了新的视角。

Carbon vacancies in a melon polymeric matrix promote photocatalytic carbon dioxide conversion, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1134-1137.

 

5. Angew. Chem. Int. Ed.:硼碳氮陶瓷气凝胶及其光催化氧化还原性能

硼碳氮化合物(BCN)是一种新型的光催化剂,但是块体BCN带隙宽、比表面积小,光催化性能也不高。本文中作者制备了三维(3D)多孔陶瓷BCN气凝胶,并将其应用在相关的光催化反应中。气凝胶独特的结构赋予了其可调的带隙、较高的比表面积、出色的稳定性和较好的结晶性,这些特性加快了电子-空穴对的分离和转移,促进了催化反应动力学过程的进行,因此增强了催化剂的光催化产氢和CO2还原性能

这项研究提供了一种廉价、便捷和绿色的陶瓷气凝胶合成方法。此外,这也为结合含硼化合物,并利用固态化学策略设计和开发新型的陶瓷气凝胶催化剂指明了方向。

A borocarbonitride ceramic aerogel for photoredox catalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58, 6033-6037.

 

6. Angew. Chem. Int. Ed.:通过降低供体-受体型共轭聚合物的激子结合能从而促进电荷诱导反应的进行

激子结合能是聚合物光催化剂中影响电荷分离的重要指标。通过最大程度地降低聚合物的激子结合能,可以大大增加电荷载流子的产生,进而提升材料的光催化性能,但要实现这一目的仍然极具挑战。

本文中作者合成了一系列线性供体-受体共轭聚合物,并通过对电荷输运通道的优化,最大程度降低了材料的激子结合能。实验结果表明,电荷输运态能量损失的减少促进了电子从供体到受体的转移,使得更多的电子参与到了后续的反应之中。在可见光照射下,经过优化的FSO-FS聚合物表现出了出色的光化学反应性能

 

Reducing the exciton binding energy of donor-acceptor-based conjugated polymers to promote charge-induced reactions, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10236-10240.

 

7. Energy Environ. Sci.咪唑基离子聚合物中氮掺杂碳激发的Mott-Schottky效应及其对光催化需氧氧化反应的促进

金属/半导体被认为是一种具有发展前途的异质结光催化剂,可用于太阳能转化领域。由于在二者界面处存在肖特基势垒,因此光激发金属产生的热电子注入半导体的过程是决定反应效率的关键步骤。

本文中作者将TiO2纳米片和表面包覆氮掺杂碳的Ru纳米颗粒结合(TiO2@NC-Ru-T),得到了一种全新的Mott-Schottky型光催化剂。实验中利用主链型咪唑基离子聚合物对TiO2进行共形包覆,随后使用过钌酸盐进行阴离子交换反应,然后对产物进行热解,退火后的Ru纳米颗粒被限制在咪唑基离子聚合物中,因此得到的纳米颗粒尺寸较小且分散性好。

TiO2@NC-Ru-T中氮掺杂碳不仅增强了Ru纳米颗粒的催化性能,同时通过Mott-Schottky接触促进了光活化Ru纳米颗粒中光生电子向TiO2的输运。在可见光照射下,上述效应可以极大增强乙醇在空气中的选择性需氧氧化。这一研究为光催化反应中提高可见光吸收和电荷/电子转移提供了可行的方法,也为开发将太阳能转化为相关化学品的能源转换反应催化剂指明了新的方向。

Dyadic promotion of photocatalytic aerobic oxidation via the Mott-Schottky effect enabled by nitrogen-doped carbon from imidazolium-based ionic polymers, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 418.

 

8. ChemSusChem:缺陷工程调控的氮化碳晶体及其增强的可见光产氢性能

近年来,氮化碳晶体(CCN)基半导体在太阳能转化领域吸引了研究者极大的关注。然而,如果想进一步提高CCN的性能就需要在高结晶性和良好的光催化性能间做出平衡。本文中作者利用缺陷工程思想对CCN光催化剂进行了修饰设计。

结果表明,D-CCN保持了较高的结晶性,且其产氢率比CCN提高了8倍之多。此外,当入射光波长延展至610 nm时,光催化剂仍能进行产氢反应。这一增强的光催化性能可归功于CCN聚合物网络中缺陷的引入,这使得带隙间态得以形成,拓宽了材料对可见光的吸收范围,加快了光氧化还原催化过程中的电荷分离。

Enhancing visible-light hydrogen evolution performance of crystalline carbon nitride by defect engineering, ChemSusChem, 2019, 12, 3257-3262.

作者简介

王心晨福州大学教授、博士生导师。本科毕业于福州大学化学系,2005年获香港中文大学博士学位,曾先后在日本和德国做JSPS博士后、洪堡博士后和课题组长。现任福州大学化学学院院长,能源与环境光催化国家重点实验室主任,长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,国家“万人计划”科技创新领军人才,“百千万人才工程”国家级人选,国家有突出贡献中青年专家,教育部“新世纪优秀人才支持计划”人选,福建省特支人才“双百计划”人选,“闽江学者”特聘教授,福建省高校百名领军人才,英国皇家化学会会士,英国皇家化学会Sustainable Energy & Fuels 杂志副主编。主要研究领域涉及材料、化学、催化、环境等领域,在Nature Materials、Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等SCI期刊上发表论文250余篇,被他引4万余次,H因子101


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