光催化新突破-Nature Catalysis,活性至少提升一个数量级!

摘要:通过 ALD 修饰带有惰性氧化物的金属助催化剂,可以在很大程度上抑制与 OWS 相关的逆反应,从而提高光催化反应的整体活性

图片

第一作者:Zheng Li, Rengui Li

通讯作者:李灿院士

通讯单位:中国科学院大连化学物理研究所


太阳光驱动的光催化全水分解 (OWS) 为太阳能到化学能的转换提供了一条有前景的途径。然而目前报道的可以实现 OWS的光催化剂数量很少。造成这种现象的主要原因之一是, OWS 产物(包括光催化剂表面上的氢、氧和活性中间体)会发生逆反应。在这项研究中,作者通过原子层沉积,使用 Al2O3 修饰 Rh/GaN-ZnO 光催化剂,可以在很大程度上抑制这些逆反应,从而将光催化 OWS 活性提高一个数量级以上。具体而言,作者发现,修饰Al2O3可以将 Rh/GaN-ZnO 光催化剂上的 OWS (在 420 nm 处)的 AQE 从 0.3% 提高到 7.1%。深入研究表明,用惰性氧化物部分覆盖Rh表面位点,可以阻断光催化OWS反应过程中Rh原子的还原/氧化循环,进而有效地抑制逆反应。



颗粒光催化剂上的光催化全水分解 (OWS),可以高效地将阳光和水转化为可再生氢气。光催化 OWS 通常需要一种有效的助催化剂来进行表面反应。然而,常用的助催化剂(例如贵金属),会促进临界逆反应的发生。这些逆反应主要来自于光催化剂表面相邻反应位点产生的氢、氧和高反应性新生中间体(例如,H*O*HO*  HOO*)。事实上,这些逆反应导致了许多光催化剂在 OWS 中性能不好。此外,这个长期存在的问题在某种程度上被忽视了,而且目前仍然是一个艰巨的挑战。

为了抑制光催化 OWS 的逆反应,有人提出在贵金属助催化剂表面包覆惰性氧化物层(例如 CrOx  SiO2),用于防止 O2 的吸附,进而阻断逆反应。例如,Domen 及其同事提出的 CrOx-Rh核壳结构可以作为光催化 OWS 系统的高效助催化剂,。其中 CrOx 壳作为 O2 扩散阻断层。然而,Cr在光催化水分解中的具体作用仍然难以捉摸。此外,研究人员利用镧系元素氧化物或过渡金属羟基氧化物层覆盖光催化剂的整个表面,进而抑制逆反应。然而,使用表面涂层的策略增加了表面反应的传质阻力,降低了整体光催化活性。研究人员也报道了 PtOx 可以减少光催化 OWS 过程中的逆反应。但是,PtOx 在析氢反应(OWS 的前半反应)中的效率不如金属 Pt 的高。此外,逆反应的详细机制还远未完全阐明。

含有Rh 基助催化剂的GaN-ZnO 固溶体,作为一种代表性的 OWS 光催化剂,在可见光驱动的光催化 OWS 中表现出相对较高的活性和稳定性。然而,Rh/GaN-ZnO 上的光催化 OWS 仍然受到逆反应的严重影响。尽管包覆在 Rh/GaN-ZnO 光催化剂表面的氧化铬和镧系氧化物可以抑制逆反应,但是,在光催化 OWS 过程中,厚的包覆层(至少 2nm)使得研究 Rh 表面位点的逆反应机理成为一个巨大的挑战。为了更好地理解并合理抑制逆反应,研究人员有必要探究包覆层的合理厚度是多少,以及逆反应在金属表面位点上的反应机理。


图片

 1沉积的氧化物对 GaN-ZnO 光催化剂性能的影响。 a, xAl2O3/Rh/GaN–ZnO (x = 0, 2, 5 and 10) 光催化剂的OWS性能和AQE b,含有不同贵金属(RhPt),并用Al2O3  或 TiO2改性的光催化剂的OWS性能。 c,在 5Al2O3/Rh/GaN-ZnO 上,六次 OWS 循环期间气体释放的时间过程。反应在 100 ml 去离子水和 50 mg 光催化剂的悬浮液中,在可见光(λ ≥ 420 nm)下进行。

图片

 2. Al2O3 Rh/GaN-ZnO 光催化 OWS 中的作用。 a, 在不同的 Al2O3  CrOx 沉积顺序情况下,光催化剂的 OWS 活性比较。反应在 100 ml 去离子水和 50 mg 光催化剂的悬浮液中,在可见光(λ ≥ 420 nm)下进行。 b,在有和没有 Al2O3 修饰的情况下,在 Rh/GaN–ZnO 上的水生成反应。 c,d, 在磷酸盐缓冲盐水电解质 (pH 6.8) 中,不同光催化剂的电化学活性测试;饱和O2用于 ORR (c),饱和 Ar 用于 HER (d)

图片

3. Al2O3 修饰的 Rh/GaN-ZnO 光催化剂的形貌和元素分布。 a5Al2O3/Rh/GaN-ZnO 的低倍 TEM 图。 b,c, 5Al2O3/Rh/GaN-ZnO  HRTEM  (b)  HAADF  (c) d5Al2O3/Rh/GaN-ZnO 的扫描 TEM 图(左)和对应的 EDS 元素映射图。比例尺5 nm,适用于 d 中的所有图像。

图片

 4通过 ALD  Rh 表面优先沉积 Al2O3 a,  xAl2O3/Rh/γ-Al2O3 (x = 0, 2, 5 and 10) 上, CO 吸附的 DRIFTS 谱图。 b,在 Rh(111)Rh(110)  Rh(211) 表面上,Al(CH3)3 解离吸附的自由能图。 c,通过 ALD 实现 Al2O3 物种对 Rh 纳米粒子的位点优先修饰。 dLCS 上的 Rh 原子催化逆反应。 e, Al2O3修饰的Rh/GaN-ZnO对逆反应的抑制机理。



总的来说,作者发现,通过 ALD 修饰带有惰性氧化物的金属助催化剂,可以在很大程度上抑制与 OWS 相关的逆反应,从而提高光催化反应的整体活性。具体而言,修饰Al2O3可以将 Rh/GaN-ZnO 光催化剂上的 OWS (在 420nm 处)的 AQE  0.3% 提高到 7.1%。作者进一步揭示了,通过氧化物在贵金属助催化剂的 LCS 上的优先沉积来实现抑制作用。修饰的氧化物阻碍了表面产物的催化反应 (2H2 + O2 → 2H2 O2 + 4H+ + 4e → 2H2O) 这项工作提供了对光催化OWS反应中贵金属助催化剂逆反应内在机理的深刻理解,也为解决这一长期存在的光催化问题提供了有效策略。

查看更多
相关阅读
热门标签
光催化N-苯基哌啶的去饱和 β-C(sp3)–H酰胺化方法 OER 光化学反应仪光源分类 工业级光流体反应器 光催化原理 邻苯二甲酰亚胺 烯丙基sp3 C–H键的选择性芳基化 光催化产业化 可见光催化葡萄糖产HMF 光化学反应仪厂家 光催化合成苯甲酸 光催化胺烷基化 实验室光催化反应釜 光氧化还原催化芳香醚氢解 光催化制氢设备 可见光催化穿梭二溴化 氟聚合物 实验室级光化学反应仪 PHECOO 光催化制氨基酸 光合成生物学 光催化生物质脱氢 脂肪族异硫氰酸酯 光催化丙酮 国产光化学反应仪 多功能光化学反应仪器 光催化降解有机污染物 光催化还原制酮 武汉光化学反应仪价格 酮烯胺 光催化磺胺嘧啶 香港城市大学 光催化CO2还原 CO2光催化还原 南方科技大学舒伟 多相光催化氧化降解废水中抗生素 光催化水分解制氢 清华大学 光催化合成H2O2 多相光催化氧化降解抗生素 国内光化学反应仪 南京光化学反应仪选哪个品牌 光催化合成反应釜 可见光催化从环己酮 光催化Meerwein型溴芳基化反应 哈尔滨工业大学 光催化烯丙基醋酸酯 光化学反应仪转速 多相光催化氧化降解TMP 光催化降解有机物 bromide 多相光催化 光催化降解设备 光催化尾气分解 紫外光化学反应仪 加州大学洛杉矶分校 华南师范大学 光催化合成酰基酮产物 光催化降解亚甲基蓝 黄素光催化去饱和与环氧反应 光催化降解环丙沙星 光催化制氢反应仪 光催化合成烯丙基硅化合物 实验室光化学反应釜 中国矿业大学 红外区光化学反应仪 光催化烯烃 三甲基氯硅烷 水裂解 光催化胺化 多位光化学反应仪 光催化制合成三氟甲基酮 可见光催化醛的不对称还原炔丙基化反应 布里斯托大学 普林斯顿大学 武汉大学 安徽大学 微反应器 光催化磺胺嘧啶降解 光催化硅基羧酸化合物 国内光化学反应仪现状 自由基加成反应 拉曼区光化学反应仪 可见光催化葡萄糖 光催化苯甲醚类化合物 铀酰光催化烯烃氧化裂解 光催化甲烷制甲醇 光化学反应仪时间设置 光化学反应仪贵吗 高精密光化学反应仪报价 光催化自由基脱羧偶联反应 可见光催化 前景 光化学反应仪价格 加州理工大学 光催化氧化还原 光催化糖类转化制备5-羟甲基糠醛 Science 光化学反应仪生产厂家 光化学反应仪使用说明书 自由基 光催化降解仪器 叠氮化物 康奈尔大学 福州大学 JACS 有机 氨基悬链烯烃 芳香烯烃高效氧化裂解 光催化析氢反应器 光氯化反应釜 有机化合物脱氢偶联 光降解反应釜 光反应器LED光源 光流体微反应器多少钱 ghx光化学反应仪 武汉光化学反应仪 光化学反应仪器厂家 大容量光化学反应仪 光催化烷基溴三氟乙酰化反应 上海光化学反应仪厂家排名 华中科技大学 武汉光化学反应仪厂家 光催化氧化 平行光化学反应仪 光催化空气净化 光催化甲苯氧化 叔烷基胺 清洁可再生能源化学合成 光化学反应仪功率 光反应釜 光催化反应器 光催化甲苯 常温常压光解塑料 光催化降解法 大连理工大学 光催化制氢 平行光反应仪 多光源光化学反应仪报价 华东理工大学 光催化氧化技术 光催化析氢实验装置 光催化制H2O2 光催化合成三氟甲基酮 平行光反应仪厂家 光化学反应仪常见问题 光化学反应釜 光催化甲烷无氧偶联制乙烯 光催化合成C₂H₆ 光催化有机污染物降解 上海光化学反应仪报价 光催化水净化器 偶联 北京理工大学 丙酮光催化脱氢偶联制备2,5-己二酮 阿德莱德大学 氢烯基化 光催化降解反应釜 光化学反应仪维护 XPA光化学反应仪 光催化降解装置 陕西科技大学 光催化制备2,5-己二酮 江苏大学 北京光化学反应仪 中国地质大学 天津光化学反应仪 实验室光反应釜 光催化制乙烷 光催化氧化反应釜 光催化1,2-氨基醇合成 有机合成 ghx光化学反应仪优势 天津光化学反应仪厂家 羧酸 平行光反应仪品牌 光催化丙酮偶联制备2,5-己二酮 光催化α-叔碳伯胺合成 二氟烷基自由基加成 光化学反应仪波波长选择 光化学反应仪应用 寡聚物 光催化缺电子吲哚衍生物 光催化实验 芝加哥大学 光化学反应釜价格 中国科学院 光催化氧化氮氧化物 光催化烯烃的溴烷基化反应 光生电荷 开普敦大学 亚甲基蓝 光催化 异相光催化氯化苄自偶联 加州大学伯克利分校 光反应器点光源 光催化应用 国产光化学反应仪公司 光催化析氢有机耦联反应 光催化合成2-哌啶酮 光流体微反应器 贵州大学 大容量光化学反应仪价格 光氯化反应釜定制 三氯甲基化反应 光化学反应仪进口 朴玲钰 海南光化学反应仪价格 光化学反应仪怎么选择 宾夕法尼亚大学 光化学反应仪市场 光化学反应仪 臭氧氧化 紫外光化学反应仪厂家 工业级光催化降解反应釜 国产光化学反应仪厂家 光催化制α‑叔伯胺 多光源光化学反应仪 光催化分解水制氢 光催化炔烃合成N-芳基吡咯类化合物 四川大学 马来酰亚胺衍生物 光诱导 常州光化学反应仪厂家 金属氧化物光催化剂 溴二氟烷基 CO2还原 光化学反应仪进口风险 溴烷基化反应 光催化苯甲醚 光催化合成C4化合物 光化学反应仪LED光源 中国科学技术大学 光流体反应器 硝基芳烃 光催化制乙烯 光电共催化 N-烷基苯胺 海南光化学反应仪厂家 光催化还原CO2 香港大学 光催化胺烷基化反应 光催化合成含硼杂环化合物 非均相光催化 金属笼光催化制氢 工业级光化学反应仪 南开大学 光化学反应仪规格 可见光催化合成苯酚 双供体-受体有机网络光合成过氧化氢 常州光化学反应仪 光催化脱氢还原 光催化炔烃生产伯醇 南京光化学反应仪 钍簇 郑州光化学反应仪报价 光化学反应仪说明书 同济大学 光催化三氯甲基烯烃内酯化 光催化酰胺化反应 光化学反应仪厂家排名 光催化芬顿降解 光化学反应釜如何选择 光化学反应仪用途 光催化实验设备 新加坡国立大学 光氧化还原 光氧化 剑桥大学 光催化析氢 光催化丙烯醛自由加成反应 可见区光化学反应仪 山东大学 烯丙基sp3 C–H键烷基化 光催化环丙烷的去消旋化 光化学反应仪报价 厦门大学 西湖大学 光催化硫醚化反应 水制氢 多位光化学反应仪报价 华南理工大学 光催化还原法 光电催化 光催化Meerwein型溴芳 光催化合成乙烷 光催化水分解产氢 大连工业大学 多试管光化学反应仪多少钱 光催化剂选择 Nature 精密光化学反应仪 光催化水分解 光化学反应仪光源选择 二维富勒烯 太阳能驱动耦合催化CO2还原为合成气 β-内酰胺 光化学反应仪设备 电化学 光催化H2O2 复旦大学 多试管光化学反应仪厂家 高通量光反应仪厂家 有机光光合成过氧化氢 光催化合成 海南光化学反应仪 光化学反应釜类型 上海光化学反应釜 Au-CeO2 多电子 天津光化学反应仪报价 南京光化学反应仪哪家好 南京理工大学 郑州大学 光催化降解磺胺甲恶唑抗生素 光合成 光催化炔烃 急需光化学反应仪 光化学反应仪器生产厂家 光化学 光催化合成α-硼基醛 微通道反应器 硼化 光催化制氢产率 西安交通大学 光化学反应釜厂家 上海多试管光化学反应仪 羧化反应 甲烷 合成气和烯丙基sp3 C–H键的选择性芳基化/烷基化 光催化合成N-烷基苯胺 基于芳基噻蒽鎓盐的烯烃 多位光化学反应仪厂家 光铜共催化的自由基脱羧偶联反应 光催化合成α‑叔伯胺 浙江大学 郑州光化学反应仪 可见光催化还原炔丙基化反应 多光源光化学反应仪厂家 光化学反应仪地区分布 磁力搅拌器 光化学反应仪精度 糠醛 上海光化学反应仪 光催化苯甲醚酰胺化反应 常州光化学反应仪价格 多功能光反应仪 光催化芳基环丙烷和硝酮偶极环加成反应 光化学反应釜报价 光催化N-苯基哌啶β-C(sp³)–H酰胺化反应 光催化析氢设备 洛桑联邦理工学院 光催化矿化产物 CO2 转化为 CO 聚合物 丙烯酰苯胺自由基环化反应 实验室光化学反应仪 烯烃 光流体微反应器厂家 光反应器光源 光催化反应釜 高压光化学反应釜 纳米光催化剂 溴代烷烃 光催化析氢装置 光催化还原制烯烃 LED光化学反应仪 水凝胶 光催化还原反应釜 磺胺嘧啶 光催化三氟乙酰化反应 多位平行反应釜 光催化氯化苄自偶联反应 光催化制甲醇 光氯化反应釜厂家 邻苯二甲酰亚胺自由基 天津大学雷圣宾教授课题组 去芳香性戊烯基化反应 光催化胺烷基化构建α‑叔伯胺 g-C3N4 光催化芳香醚氢解 平行光反应仪厂家排名 光催化生成2-吲哚酮 喹啉 光催化氧化糠醛 紫外光化学反应仪多少钱 光化学反应仪哪个品牌好 偕溴代硝基环丁烷 华中师范大学 可换光源 有机光催化合成2-哌啶酮 光化学反应仪市场分布 光催化塑料降解 可见光催化伯胺类化合物 光催化过氧化氢 光化学反应仪多少钱 光催化烯烃异构化 近红外区光化学反应仪 齐齐哈尔大学 光催化技术 光催化制苯甲酸 光催化配套设备 光化学反应仪哪家好 氮化硼 可见光催化二氯化 光催化反应原理 板式微通道反应器 光催化环丙烷 氮杂环丙烷 重庆大学 高精密光化学反应仪 烯醇硅醚转化为α,β-环氧酮 二芳基二氢吩嗪基多孔有机聚合物 可见光催化烯烃双官能团化反应 光催化苯甲醚酰胺化 光流体微反应器报价 北京大学 高通量光反应仪报价 东京大学 光催化合成苯并噻唑衍 光化学反应仪使用指南 光催化反应釜厂家 光催化硝酮 光化学合成 多试管光化学反应仪价格 光催化产氢 光催化CH4制C2H4 光催化降解技术 光催化合成过氧化氢 光驱动耦合催化CO2还原为合成气 芳香族异硫氰酸酯 光催化甲烷 光催化氧化法 磺胺甲恶唑抗生素 烯烃二卤化 光化学反应仪选购 二硫化物光化学合成 中山大学 光催化有机污染物矿化 复旦大学张立武 北京光化学反应仪报价 可见光催化氧化脱氢 马来酰亚胺 光化学反应仪采购 光化学反应仪光源 插烯反应 偶氮苯 光催化有机合成 光催化产氢装置 光催化交流研讨会 光催化伯胺类化合物 大容量光化学反应仪厂家 广东工业大学 EDA 复合物 曼彻斯特大学 光化学反应仪波波长 光催化还原技术 光化学反应仪选哪家 高精密光化学反应仪厂家 高压光化学反应釜报价 ​Angew 光催化芳基环丙烷 光催化还原六价铬 光催化末端烯烃生产伯醇 光化学反应仪配套设备 光催化脱羧反应 光催化末端烯烃 光化学反应仪哪家性价比高 光催化脱硫反应釜 多试管光化学反应仪 光催化还原重金属离子 高压光化学反应釜厂家 可见光驱动有机转化 吉林大学 多功能光化学反应仪 光催化氧化二氧化硫 上海大学 光化学反应仪哪家比较靠谱 光催化剂种类 光化学衍生装置 可见光催化芳香烯烃氧化裂解 光催化还原 光催化合成轴手性N-芳基吡咯 光催化降解四环素 郑州光化学反应仪厂家 上海光化学反应仪厂家 光催化水消毒 光催化降解 钙钛矿光催化剂

18221306212