马丁教授:光(热)催化将与热催化技术共生共存丨Cell Press对话科学家
2019-05-23 13:42:42   来源:
上个月,Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule(《焦耳》)发表了一篇题为”Solar-versus Thermal-Driven Catalysis for Energy Conversion”的综述文章,引起业界广泛关注。文章就传统的热催化与新兴的太阳能驱动催化过程进行了对比,特别是对比了这两种催化过程中,催化剂在能源分子转化反应中的能源转化效率及在精细化学品合成中的作用。作者希望揭示太阳能驱动催化过程的潜力,并阐述其应用的前景及挑战。

针对该综述文章的主要观点,以及太阳能驱动催化技术的科研、应用现状及展望,Cell Press特别邀请该文章的通讯作者——北京大学化学与分子工程学院/工学院教授马丁接受了专访。

作者专访

Cell Press:您在本篇综述中详细阐述了太阳能驱动催化过程。您认为与传统热催化比较,太阳能驱动催化技术的优势主要体现在哪些方面?

马丁教授:与传统热催化相比,我认为光(热)催化技术的优势主要表现在以下三个方面:①驱动催化反应的能量形式的转变:由传统的化石能源转变为绿色经济的太阳能,这样既降低了温室气体的排放,节约了成本,又符合当下可持续发展的战略要求;②温和的催化条件:通过光催化技术,使得一些反应在常温常压的条件下就可以进行:如水分解、CO2还原、甲烷活化、合成氨反应等;③催化反应路径的改变:结合近几年的研究成果不难发现,光照可以降低某些催化体系中限速步骤的能垒,或是改变反应中间体在催化剂表面的吸脱附行为,从而改变反应选择性。因此与热催化相比,催化剂在太阳能驱动条件下可以表现出较高的活性和理想的选择性。

Cell Press:近年来,太阳能驱动催化技术方面的国内外科研进展如何,取得的主要成果有哪些?

 

马丁教授:自从日本科学家Honda和Fujishima在1972年发现TiO2电极可以通过光电催化将水分解为氢气和氧气后,人们探索光催化反应的序幕就此拉开。近十几年来,环境污染和能源危机等问题的日益加剧,使得光催化相关的研究领域迅速发展,并取得了诸多突破性的研究成果。按照光催化剂结构和光催化反应的特点,我认为近几年国内外的主要成果分为以下几类:

  • 金属以及金属碳化物纳米粒子的等离子体效应在光催化和光热催化反应中的应用;
  • 功能化的半导体、MOFs、COFs和金属配合物高效催化CO2还原和水分解;
  • 提升电荷分离效率的非贵金属助催化剂,Z-Scheme复合型光催化剂的发展;
  • 新型二维光催化剂的发展,如氮化碳(C3N4)、过渡金属碳/硫化物、水滑石(LDH)、卤氧化铋(BiOX)、钙钛矿氧化物(perovskite oxide)等。
太阳能驱动催化类型

Cell Press:您在文中也提到,太阳能驱动催化技术仍面临很多挑战,如催化反应器的设计等。除此之外,还有哪些瓶颈亟待突破?

 

马丁教授:除了文中提到的挑战外,我认为目前太阳能驱动光催化反应还存在以下三个瓶颈问题需要解决:

  1. 效率:一般来说,常温常压下光催化反应的效率还普遍处于较低水平。比如,在用水做电子供体的CO2还原反应和无牺牲剂参与的光解水同步产氢产氧反应中,大多数光催化剂的活性依旧在μmol/g·h的量级。因此,效率低是光催化反应面临的主要问题,也是限制其工业应用的关键;
  2. 光(热)催化条件下的原位表征:随着近几年原位电镜和光谱技术的发展,一些催化反应可以在原子和分子尺度进行观测。然而,光催化反应过程中涉及原位表征的研究依旧较少。因此,对于多功能原位池的设计并应用于揭示光催化反应中的关键问题是目前的迫切需求;
  3. 稳定性:与热催化相同,光(热)催化反应中也存在着催化剂稳定性差的现象。比如活性组分易流失、中毒等,从而造成催化剂失活。因此考察催化剂失活的原因以提高其稳定性也是目前的研究重点和难点。

 

Cell Press:您认为未来光(热)催化是否有望全面取代传统热催化?

 

马丁教授:与传统热催化相比,光热催化技术尽管表现出了很多优势,同时也存在很多不足之处。比如说:①目前的光热催化实验基本都是以氙灯光源的辐照下进行的,而室外的太阳光存在强度低和辐照不稳定两个限制因素;②光热催化需要催化剂自身对光有较强的吸收,浅色催化剂的量子效率将大打折扣;③光热催化目前还不能与热催化一样精确控制反应温度。因此,我认为光热催化可以在某些反应中比热催化更经济更有效,但未必能全面取代热催化。光(热)催化反应会在热催化存在短版的过程中和热催化互补,未来一定会共生共存,甚至在一些过程中可以形成接力关系。

 

Cell Press:能否介绍下近年来围绕光催化,您的团队取得了哪些科研进展?下一步还将聚焦哪些方向?

 

马丁教授:近几年来,围绕光(热)催化,我的研究小组和合作者主要在光热催化费托合成、光催化甲烷活化及光解水产氢三个方向展开研究工作。

 

首先,在光热催化费托合成方面,我们以Fe5C2催化剂实现了在光照条件下50%的CO转化率,并高选择性生成了低碳烯烃 (Chem, 2018, 4, 2917);同时,与合作者一起基于水滑石前驱体制备的Ni基及Fe基催化剂分别先后实现了光热条件下对C2+及低碳烯烃的高选择性生成(Angew. Chem., 2016, 55, 4215, Adv. Mater., 2018, 30, 1803127)。

 

其次,针对甲烷活化困难这一世界难题,我们和合作者构建了氧化钛负载高度分散的氧化铁团簇催化剂。以过氧化氢为氧化剂,在光照条件下实现了甲烷一步活化高选择性制甲醇的路径(Nat. Catal., 2018, 1, 889)。

 

另外,在光解水产氢的研究中,我们设计合成了石墨烯面内掺杂六方相氮化硼(h-BN)畴区材料,并在光解水产氢中表现出了显著高于其他方式B、N掺杂石墨烯的产氢活性(Chem. Mater., 2017, 29, 2769)。

 

下一步我们在光(热)催化方向会聚焦在以下两个方面:首先是设计更加高效的光(热)催化双功能催化剂(具备光热转化能力和催化性能),进而催化转化CO2,CH4这类温室气体甚至工业废气等,得到具有高附加值的多碳烷烃或烯烃和高值化学品;其次我们会尝试通过原位表征等手段如来揭示光(热)催化的机理,为下一步的研究提供理论依据。

关于 马丁教授

马丁,北京大学化学与分子工程学院/工学院教授。针对我国社会能源和资源优化利用过程,马丁教授团队主要开展氢能制备与输运,以及高值碳基化学品/油品合成等方面研究工作。马丁教授曾获得2013年度北京大学青年教师教学比赛一等奖,2014年度王选青年学者奖,2017年中国催化青年奖,2017年度中国科学十大进展。国家自然科学基金委员优秀青年基金、杰出青年基金获得者。 2016年入选英国皇家化学会会士(Fellow of Royal Society of Chemistry)。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊能源旗舰期刊Joule上,点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题:

Solar- versus Thermal-Driven Catalysis for Energy Conversion