Angew | 山東大學(xué)李真團(tuán)隊(duì)在微液滴光催化生產(chǎn)過(guò)氧化氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展

導(dǎo)讀

近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院前沿化學(xué)研究院李真副教授團(tuán)隊(duì)在微液滴光催化綠色生產(chǎn)過(guò)氧化氫研究方面取得新進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)提出微液滴氣-液-固三相界面催化策略，依托共價(jià)有機(jī)框架材料高效光催化制備H2O2，突破傳統(tǒng)液相體系氧氣傳質(zhì)差、催化效率低的瓶頸，相較常規(guī)體相體系催化性能提升12.3倍。相關(guān)研究成果以“Microdroplets Boosted Photocatalytic H2O2 Production Over Covalent Organic Frameworks via Tri-Phase Interface Catalysis”為標(biāo)題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。山東大學(xué)為該論文唯一通訊單位。山東大學(xué)博士研究生徐雨春為論文第一作者，李真副教授為通訊作者。

過(guò)氧化氫（H2O2）是化工合成、環(huán)境治理、醫(yī)療消毒領(lǐng)域不可或缺的綠色化學(xué)品，傳統(tǒng)工業(yè)蒽醌法存在能耗高、依賴貴金屬、有毒副產(chǎn)物多等弊端，無(wú)犧牲劑光催化制H2O2是理想綠色替代路線。共價(jià)有機(jī)框架（COFs）因能帶可調(diào)、多孔高比表面積優(yōu)勢(shì)成為優(yōu)質(zhì)光催化材料，但傳統(tǒng)體相水溶液反應(yīng)體系存在氧氣傳質(zhì)阻力大、活性位點(diǎn)暴露不足、產(chǎn)物易分解等固有缺陷，嚴(yán)重限制生產(chǎn)H2O2效率。微液滴體系具備超大界面面積、獨(dú)特界面電場(chǎng)效應(yīng)，可強(qiáng)化多相催化反應(yīng)，但利用微液滴三相界面調(diào)控H2O2產(chǎn)率機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)研究。

圖1 微液滴光催化生產(chǎn)過(guò)氧化氫機(jī)理及性能示意圖

本研究構(gòu)建固著微液滴氣-液-固三相界面光催化體系（圖1），以DS-OH-COF作為光催化劑，依靠微液滴超大比表面積大幅強(qiáng)化氧氣傳質(zhì)效率，氣-液-固三相界面為反應(yīng)核心活性區(qū)域。性能測(cè)試表明，1 μL微液滴在空氣、純氧氛圍下H2O2產(chǎn)率分別可達(dá)11.11、14.79 mmol g-1 h-1，性能較傳統(tǒng)體相體系提升12.3倍。機(jī)理實(shí)驗(yàn)證實(shí)該體系可同步通過(guò)2電子氧還原（2e? ORR）與2電子水氧化（2e? WOR）雙路徑生成H2O2；基底材料可調(diào)控氧氣Pauling型/Yeager型兩種吸附模式，弱Pauling吸附能夠保留O-O化學(xué)鍵、促進(jìn)超氧中間體生成，進(jìn)一步提升催化活性。結(jié)合原位紅外、原位拉曼、旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極電化學(xué)測(cè)試與DFT理論計(jì)算完整闡明三相界面氧活化與生產(chǎn)H2O2機(jī)理。該微液滴催化策略普適性強(qiáng)，適配多種COF催化劑與天然水體水源，原位生成的H2O2可快速降解甲基橙有機(jī)染料，在水污染治理領(lǐng)域具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。研究同時(shí)指出該微液滴策略可拓展至CO2還原、污染物光降解、人工光合成等多類光催化體系，為多相光催化性能提升提供通用設(shè)計(jì)范式，具備重要科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，李真副教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、多孔有機(jī)框架光催化材料、水分解與綠色氧化催化等方向，相關(guān)成果發(fā)表于Nat. Commun.,Angew. Chem. Int. Ed.,Energy Environ. Sci. 等國(guó)際權(quán)威期刊。系列研究工作先后獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)青年基金資助，入選山東大學(xué)青年學(xué)者未來(lái)計(jì)劃。

來(lái)源：山東大學(xué)