鑒于目前的能源危機(jī),能耗需求是制約現(xiàn)代化工發(fā)展的重要因素之一。以太陽能驅(qū)動有機(jī)合成過程,將有望替代傳統(tǒng)的熱催化技術(shù),從而實現(xiàn)低能耗的化工生產(chǎn)。在該技術(shù)途徑中,將太陽能轉(zhuǎn)化儲存為化學(xué)能,為緩解當(dāng)前的能源困境提供了一種新的思路。該技術(shù)的核心關(guān)鍵在于如何降低催化劑材料成本并提高能量轉(zhuǎn)換效率。近日中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組基于無機(jī)固體精準(zhǔn)制備化學(xué),采用晶體缺陷工程,設(shè)計了一類具有缺陷態(tài)的氧化鎢納米結(jié)構(gòu),在廣譜光照條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的有氧偶聯(lián)催化性能,有望實現(xiàn)低能耗和低成本的有機(jī)化工技術(shù)。該工作在線發(fā)表于重要化學(xué)期刊《美國化學(xué)會志》(J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.6b04629),共同第一作者是博士生張寧和李喜玉。
基于氧化鎢納米晶體缺陷工程的光催化有氧偶聯(lián)技術(shù)原理圖示及性能
現(xiàn)今有機(jī)化工體系中絕大部分催化反應(yīng)是基于貴金屬催化劑的使用,并且是依靠石油、煤炭的燃燒所驅(qū)動的,存在高催化劑材料成本、高能耗等缺點(diǎn),限制了其進(jìn)一步發(fā)展。例如,與眾多有機(jī)環(huán)氧化、碳?xì)浠衔镅趸?、醇類氧化及有氧偶?lián)反應(yīng)相關(guān)的氧分子活化過程,通常是利用貴金屬催化或熱能完成的。與貴金屬催化劑相比,金屬氧化物具有低成本等優(yōu)點(diǎn),且可展現(xiàn)出光催化活性,是一類理想的催化材料。然而,金屬氧化物在氧分子活化體系中的表現(xiàn)卻不盡人意,其瓶頸在于無法有效地俘獲太陽能并將之傳遞給氧分子。
熊宇杰課題組針對該挑戰(zhàn),設(shè)計出了一類具有精準(zhǔn)可控氧空位缺陷態(tài)的氧化鎢納米結(jié)構(gòu)。通常金屬氧化物的金屬原子具有配位飽和的特點(diǎn),無法通過化學(xué)吸附來活化氧分子。在該工作中,氧空位缺陷的構(gòu)筑克服了該缺點(diǎn),促進(jìn)了光生電子從氧化物催化劑向氧分子的高效轉(zhuǎn)移。另一方面,缺陷態(tài)的出現(xiàn)大幅度地擴(kuò)寬了光催化劑的吸光范圍,使其在可見光和近紅外光區(qū)寬譜范圍內(nèi)俘獲太陽能。這兩方面的貢獻(xiàn)實現(xiàn)了太陽能的有效俘獲及能量轉(zhuǎn)換傳遞,解決了氧化物催化劑在光催化有機(jī)合成中的瓶頸問題。
在該項研究工作中,熊宇杰教授課題組與國家同步輻射實驗室合作,并利用合肥光源的催化與表面科學(xué)站解析出了缺陷態(tài)光催化劑的配位結(jié)構(gòu)及能帶結(jié)構(gòu),證實了理論模擬結(jié)果。
(合肥光源提供)