基于铂族金属的催化剂几十年来一直是化工行业的主要焦点。好的催化剂以中等强度结合底物,因此反应物结合和产物解吸都不会限制反应。铂族金属通常在许多反应中都符合这一标准,不能被铁等更便宜的金属所取代,因为铁在反应条件下通常会氧化。

2022年11月24日,莱斯大学Naomi J. Halas,Peter Nordlander,Hossein Robatjazi及普林斯顿大学Emily A. Carter共同通讯(第一作者为莱斯大学Yigao Yuan与华南理工大学周礼楠)在Science在线发表题为”Earth-abundant photocatalyst for H2 generation from NH3 with light-emitting diode illumination“的研究论文,该研究演示了用铜铁光催化剂进行氨分解来释放氢,铜中的等离子体激元产生热电子,与与铁结合的氨发生反应。铁不是该反应的良好热催化剂,但光诱导氧解吸使其与类似的铜钌光催化剂和钌热催化剂竞争。

Cu-Fe天线反应器中的Fe活性位点在超快脉冲照明下的氨光催化分解效率与Ru非常相似。当用发光二极管而不是激光照射时,光催化效率保持相当,即使反应规模增加了近三个数量级。这一结果证明了从氨气载体与地球上丰富的过渡金属高效用电驱动生产氢的潜力。

另外,2022年11月9日,华南理工大学顾成团队与日本京都大学Susumu Kitagawa团队合作在Nature杂志在线发表题为“Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials”的研究论文,该研究报道了通过构建两个多孔配位聚合物——多孔配位聚合物(PCPs)或金属有机框架(metal–organic frameworks, MOFs)的动态特性,在室温下高效分离水同位素的方法,其中框架内的触发器分子运动提供了扩散调节功能。来宾流量受收缩孔隙孔上动态门的局部运动调节,从而放大了水同位素扩散速率的微小差异。两种PCPs均发生显著的温度响应吸附:H2O蒸汽优先被吸附到PCPs中,与D2O蒸汽相比吸收量大幅增加,促进了基于动力学的H2O/HDO/D2O三元混合物的蒸汽分离,在室温下水分离系数高达210左右。

2022年9月7日,华南理工大学黄飞教授、曹镛院士、马於光院士和北京大学裴坚教授、南方科技大学郭旭岗教授等合作在Nature 在线发表题为“A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity”的研究论文,该研究提出了一种容易合成的高导电 n 型聚合物(聚苯二呋喃二酮)(PBFDO)。该反应结合了氧化聚合和原位还原 n 掺杂,显著提高了掺杂效率,并且每个重复单元可以实现几乎 0.9 个电荷的掺杂水平。所得聚合物表现出超过 2000 S cm−1的突破性电导率,具有出色的稳定性和出乎意料的溶液加工性,无需额外的侧链或表面活性剂。此外,对 PBFDO 的详细研究揭示了相干电荷传输特性和金属态的存在。进一步证明了电化学晶体管和热电发电机的基准性能,从而为 n 型 CP 在有机电子学中的应用铺平了道路。

2022年7月28日,美国国家标准技术研究所郑铭及美国国家标准技术研究所/华南理工大学林志伟共同通讯在Science 在线发表题为“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”的研究论文,该研究报告了一种使用 DNA 导向的鸟嘌呤 (G) 特异性交联化学的解决方案。 通过 DNA 筛选,该研究确定了一个序列 C3GC7GC3,其与 (8,3) 对映异构体的反应产生最小的无序诱导的拉曼模式强度和光致发光斯托克斯位移,表明形成了有序的缺陷阵列。 单粒子冷冻电子显微镜显示,功能化的 C3GC7GC3 (8,3) 具有 6.5 埃周期性的有序螺旋结构。反应机理分析表明,螺旋周期是由一系列 G 修饰的碳 - 碳键沿扶手椅螺旋线分开固定距离产生的。总之,该研究结果可用于重塑纳米管晶格以获得新的电子特率。

金属纳米粒子(NPs)中被光激发的表面等离子激元可以产生强光热和非平衡的高激发电子或空穴[热载流子(hc)],它们可以与吸附的分子发生反应,进而提供一种将光能转化为化学能的有效途径。金属NPs可以直接光催化许多反应,包括Au上的H2解离反应,Ag上的O2解离反应,Cu上的丙烯氧化反应。然而,尽管NPs具有很强的光耦合特性,但仅由这些金属组成的NPs并不能提供吸附物结合的活性位点,这最终限制了它们的催化性能。

天线-电抗器(Antenna-reactor,AR)络合物已经被开发出来,通常由等离子子NP(天线)组成,用反应堆粒子装饰,如岛、簇或铂族金属(PGMs)的单原子。例如,Cu-Ru AR配合物(Cu-Ru-AR)可以有效地光催化氨分解。根据Sabatier原理,Ru是该反应的理想结合位点,因为它结合氮中间种的强度既不太强也不太弱。Cu-Ru- AR的Ru反应器分散在Cu天线上,产生hc,通过激活Ru- n键增强光催化剂的反应性并降低反应障碍。

电气化光催化氨分解生产克级氢气(图源自Science )

尽管采用PGM反应器大大提高了光催化性能,但它们的稀缺性和成本促使人们努力用地球上储量更丰富的过渡金属来取代它们,特别是在工业规模的反应中,如氨分解。然而,在热驱动下,像Fe这样的金属在这个反应中的反应性远不如Ru,因为Fe-N键非常强,以至于产物不能解吸。

该研究演示了用铜铁光催化剂进行氨分解来释放氢,铜中的等离子体激元产生热电子,与与铁结合的氨发生反应。铁不是该反应的良好热催化剂,但光诱导氧解吸使其与类似的铜钌光催化剂和钌热催化剂竞争。

Cu-Fe天线反应器中的Fe活性位点在超快脉冲照明下的氨光催化分解效率与Ru非常相似。当用发光二极管而不是激光照射时,光催化效率保持相当,即使反应规模增加了近三个数量级。这一结果证明了从氨气载体与地球上丰富的过渡金属高效用电驱动生产氢的潜力。

参考消息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5636