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

光功率計型號：CEL-NP2000

文章簡介：

為應(yīng)對嚴(yán)峻的能源和環(huán)境危機，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)條件和有機試劑的影響等優(yōu)點。為在溫和的反應(yīng)條件下合成藥物、精細化學(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)的醛被認為是最重要的官能團轉(zhuǎn)化過程之一。此外，醛是一種高價值的中間體，用于有機合成廣泛的化學(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)計量氧化劑，如鉻酸鹽、高錳酸鹽等，具有毒、強腐蝕性，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行的，因此仍然存在光生電子還原能力浪費，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。