单原子光催化技术助力解决能源短缺与环境污染问题
2023-04-21
摘要：南开大学碳中和交叉科学中心、环境科学与工程学院周启星教授课题组报道了一种氮掺杂碳包裹二氧化钛负载的铁（Fe）单原子催化剂,此研究为单原子光催化剂在环境与能源领域的应用提供了新的解析思路
以环保为基础，新型光催化技术是一种具有战略性的新兴产业技术。在解决全球性能源短缺、二氧化碳排放和环境污染削减等重大问题方面，其应用前景非常广阔。因此，该技术目前已经成为国际研究的前沿和热点之一
近日，南开大学碳中和交叉科学中心、环境科学与工程学院周启星教授课题组报道了一种氮掺杂碳包裹二氧化钛负载的铁（Fe）单原子催化剂，该催化剂同时具有Fe团簇助催化位点和Fe单原子位点，其对可见光的捕获协同Fe团簇助催化位点可有效强化Fe单原子的本征催化效率，此研究为单原子光催化剂在环境与能源领域的应用提供了新的解析思路。相关成果发表在国际期刊《美国科学院院报》上
与传统负载型光催化剂相比，单原子光催化剂表面的活性组分分布达到原子尺度，这就对单原子光催化剂效率和选择性的控制提出了更高的挑战，特别是针对其本征活性位点的鉴别以及催化机制认识还有不足。
周启星教授团队研究发现，利用可见光以及单原子催化剂中易于形成的团簇，可以协同优化单原子催化位点的本征活性和选择性，以此为依据构建了有效利用太阳光的团簇-单原子位点共存催化剂，其具有易于合成的调控的优势，可以应用于多种能源和环境反应，解决能源和环境污染问题。
“我们用汽车方向盘、发动机和汽油来打比方，就能很好地诠释这个过程。在催化反应过程中，Fe团簇作为一种助催化剂，其本身并不直接参与反应，其与反应物过强的结合使其快速地被钝化，如同发动机，默默付出，为汽车的前进提供基础。”该论文第一作者、南开大学碳中和交叉科学中心、环境科学与工程学院博士生莫凡介绍，Fe原子位点在邻近Fe团簇的影响下，与周围反应物的成键强度显著下降，从而实现了快速的吸附-脱附循环，如同方向盘，牢牢把控汽车行进方向。而可见光在此过程中发挥出了汽油的作用，其作为能源持续推动反应的进行。具体来说，可见光的存在诱导光生空穴的产生，从而加速了Fe与反应物的电子交换。
研究还表明，由于优异的选择性和活性，此类催化剂和构筑策略不仅可以用于加速持久性有机污染物的降解和环境净化，还可用于更广泛的场景和领域：当以二氧化碳作为反应物，优化的结合强度可以调控二氧化碳还原反应的速率和方向，从而按需合成多种化学品，解决能源短缺问题；当以氧化剂为反应物，理想的电子交换数量可以实现特定自由基的形成，有效地去除特定污染物，助力环境问题的解决；当以有机物作为反应物，合理的结合强度可以有效实现特定有机分子的形成，解决化学工业合成中的选择性问题；当以水分子作为反应物，调控的作用强度可以实现快速的绿色能源-氢能的产生。
周启星教授团队针对此类催化剂的性能优化和机制探索的研究，可以进一步推动单原子光催化剂的理论研究和应用，从而更好地解决能源短缺与环境污染问题。
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