有效光合成耦合光催化析氫

1. 文章信息

標(biāo)題：Efficient benzaldehyde photosynthesis coupling photocatalytic hydrogen evolution            

中文標(biāo)題： 有效光合成Benzaldehyde耦合光催化析氫

頁碼：52-60  

DOI：10.1016/j.jechem.2021.07.017

2. 期刊信息

期刊名：Journal of Energy Chemistry        

ISSN：2095-4956      

2021年影響因子9.676   （2022年影響因子：13.599）  

分區(qū)信息：中科院一區(qū)TOP          

涉及研究方向：綜合性期刊          

3.作者信息：第一作者是 華東師范大學(xué)羅娟娟 。通訊作者為  中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林院士、華東師范大學(xué)陳立松副教授。

4. 光源型號：CEL-HXF300E7

光功率計(jì)型號：CEL-NP2000

文章簡介：

為應(yīng)對嚴(yán)峻的能源和環(huán)境危機(jī)，各國不斷加大開發(fā)清潔和可再生能源的力度。氫氣(H2)作為一種能量密度高、最有發(fā)展前景的可再生綠色能源引起了廣泛關(guān)注。然而，迄今為止，傳統(tǒng)的蒸汽甲烷重整制氫仍是制氫的主要方式，這導(dǎo)致了巨大的能源消耗和嚴(yán)重的溫室氣體排放。自1972年Fujishima和Honda第一次報(bào)道在TiO2電極上光電化學(xué)分解水以來，光催化水裂解制氫一直被認(rèn)為是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的潛在方法之一。然而，析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)遲緩是水裂解的另一種半反應(yīng)，已成為光催化水裂解商業(yè)化應(yīng)用的最大障礙之一。同時，O2價值較低，在光催化水裂解過程中不可避免地會混入H2，存在潛在的爆炸風(fēng)險和分離困難問題。

為了克服這些，犧牲試劑如乳酸、抗壞血酸、三乙醇胺、甲醇、甘油、乙醇和Na2SO3/Na2S被用來抑制OER，通過消耗光產(chǎn)生的空穴并加速H2的產(chǎn)生，在此過程中這些犧牲劑被氧化。遺憾的是，這樣的策略會大大增加制氫的總成本，并不能充分利用光生空穴的氧化能力。綜上所述，尋找促進(jìn)析氫反應(yīng)(HER)的新策略具有重要意義。

光合成是一種傳統(tǒng)的利用可再生太陽能作為能源的方法，具有光能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、反應(yīng)路徑短、不受苛刻的反應(yīng)條件和有機(jī)試劑的影響等優(yōu)點(diǎn)。為在溫和的反應(yīng)條件下合成藥物、精細(xì)化學(xué)品和高附加值產(chǎn)品提供了一條綠色、清潔的途徑。選擇性氧化是繼聚合反應(yīng)后的第二大工業(yè)工藝，占化學(xué)工業(yè)總產(chǎn)量的30%，近年來在光合成領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。在眾多的選擇性氧化反應(yīng)中，芳香醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醛被認(rèn)為是最重要的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化過程之一。此外，醛是一種高價值的中間體，用于有機(jī)合成廣泛的化學(xué)物質(zhì)，如糖果香精、染料、香水和藥物。

傳統(tǒng)的醛類合成需要化學(xué)計(jì)量氧化劑，如鉻酸鹽、高錳酸鹽等，具有毒、強(qiáng)腐蝕性，造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。并極大地阻止了它們的大規(guī)模應(yīng)用。然而，大多數(shù)基于光催化材料的醛的光催化合成，盡管比傳統(tǒng)的合成方法更加環(huán)保，但都是在有機(jī)溶劑中操作或在以氧氣作為一種溫和氧化劑存在的情況下進(jìn)行的，因此仍然存在光生電子還原能力浪費(fèi)，環(huán)境不友好和效率低下的問題。

因此，采用無氧化劑(或無O2)光合成的方法在水介質(zhì)中氧化芳香醇選擇性合成芳香醛將是意向的環(huán)保工藝，具有重要意義。在該策略中，芳香醇氧化制取有價值化學(xué)品的過程不是簡單的犧牲劑消耗，而是以高效氧化制取有價值化學(xué)品為主，并與制氫結(jié)合，盡管有眾多優(yōu)點(diǎn)但這仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)

一種高性能的光催化氧化芳香醇并促進(jìn)產(chǎn)氫的光催化劑是上述策略的前提。本文采用兩步水熱法合成了一種高效的非貴金屬雙功能光催化劑，NiS納米顆粒修飾CdS納米棒復(fù)合材料(NiS/CdS)。該催化劑對在水溶液和無氧氣氛圍下光合成Benzaldehyde同時促進(jìn)產(chǎn)氫具有高效的活性，這歸因于NiS和CdS間的協(xié)同作用。

最佳方案的光催化30% NiS/CdS在可見光照射下有顯著的光催化產(chǎn)氫速率和Benzaldehyde合成速率分別為207.8μmol h-1, 163.8μmol h-1，比單獨(dú)硫化鎘性能高139和950倍。該研究極大地利用光產(chǎn)生的空穴和電子用于生產(chǎn)高附加值精細(xì)化學(xué)物質(zhì)和氫氣，因此在綠色可再生能源技術(shù)的發(fā)展及光催化合成領(lǐng)域中具有重要的意義。