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近日，大連化物所生物能源化學(xué)品研究組（DNL0603組）王峰研究員、羅能超副研究員團(tuán)隊(duì)與的里雅斯特大學(xué)Paolo Fornasiero教授團(tuán)隊(duì)合作，在光催化生物質(zhì)制氫方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出一種“C-C鍵優(yōu)先”的策略，利用Ta摻雜的CeO2將生物多元醇和糖的C-C鍵完全斷裂轉(zhuǎn)化到甲酸、甲醛等C1液態(tài)氫載體，這類液態(tài)氫載體可以通過(guò)光或熱催化釋放氫氣，顯著提高了光催化生物質(zhì)制氫的效率。
氫氣是一種重要的清潔能源，太陽(yáng)能光催化生物質(zhì)重整制氫可以在溫和條件下制備可再生氫氣。然而由于太陽(yáng)能時(shí)間、地域上的分布不均勻限制了光催化生物質(zhì)制氫過(guò)程的持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。另外，由于生物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，化學(xué)鍵能較高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化過(guò)程中化學(xué)鍵尤其是C-C鍵斷裂不徹底、副反應(yīng)多，降低了生物質(zhì)的利用率，從而使產(chǎn)氫收率較低。因此，一種完全斷裂生物質(zhì)C-C鍵的方法對(duì)于提高光催化生物質(zhì)制氫效率尤為重要。
本工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)Ta摻雜制備了一種可見(jiàn)光響應(yīng)的Ta-CeO2光催化劑，在光和熱的協(xié)同作用下完全催化斷裂生物質(zhì)的C-C鍵，將多種生物多元醇和糖催化氧化到甲酸、甲醛，收率在62%到86%之間。在光催化氧化過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)加熱來(lái)抑制Ta-CeO2上不利的自由基偶聯(lián)副反應(yīng)，由此產(chǎn)生的甲酸和甲醛作為一種優(yōu)異的C1液態(tài)氫載體（LHCs），相比于氫氣更安全、穩(wěn)定、方便運(yùn)輸，通過(guò)光催化、熱催化等方式可以完全轉(zhuǎn)化釋放氫氣。研究發(fā)現(xiàn)，光催化葡萄糖氧化得到的C1 LHCs經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾除去Ta-CeO2可以直接用于光催化產(chǎn)氫，得到33%的氫氣，是直接光催化葡萄糖產(chǎn)氫收率的2.5倍。最后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的流動(dòng)裝置驗(yàn)證了太陽(yáng)能光催化葡萄糖制備C1 LHCs的可行性。利用聚太陽(yáng)光提供光能和熱能，Ta-CeO2催化葡萄糖轉(zhuǎn)化生成甲酸和甲醛的速率分別為2.2和0.3 mmol h-1，經(jīng)過(guò)累計(jì)15.5小時(shí)的太陽(yáng)光照，C1 LHCs的收率達(dá)到15%。該工作通過(guò)強(qiáng)調(diào)生物質(zhì)C-C鍵優(yōu)先斷裂的重要性，為氫氣制備和儲(chǔ)存打開(kāi)了大門(mén)。
相關(guān)研究成果以“Stepwise photo-assisted decomposition of carbohydrates to H2”為題，于近日發(fā)表在《焦耳》（Joule）上。該工作得到了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院—榆林學(xué)院聯(lián)合基金、中意合作項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。
