大連化物所提出光催化生物質(zhì)制氫新策略

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)隊與的里雅斯特大學(xué)Paolo Fornasiero教授團(tuán)隊合作，在光催化生物質(zhì)制氫方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊提出一種“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。然而由于太陽能時間、地域上的分布不均勻限制了光催化生物質(zhì)制氫過程的持續(xù)平穩(wěn)運行。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)隊通過Ta摻雜制備了一種可見光響應(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。在光催化氧化過程中，研究團(tuán)隊通過加熱來抑制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、方便運輸，通過光催化、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)過簡單的過濾除去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)隊通過搭建實驗室規(guī)模的流動裝置驗證了太陽能光催化葡萄糖制備C1 LHCs的可行性。利用聚太陽光提供光能和熱能，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)過累計15.5小時的太陽光照，C1 LHCs的收率達(dá)到15%。該工作通過強(qiáng)調(diào)生物質(zhì)C-C鍵優(yōu)先斷裂的重要性，為氫氣制備和儲存打開了大門。

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。該工作得到了國家科技部、國家自然科學(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、中意合作項目等項目資助。