Angew. Chem. ：水在光催化甲醇制氢中的作用机理研究

氢气是目前被认为最有前途的清洁能源载体之一。由于氢气的低密度，极低的液化温度，极低的温度（-253 °C）进行液化和较宽的空气混合爆炸范围（4-75%，氢气的大规模储存和运输面临严峻的挑战。甲醇作为一种高含氢量（12.5%）的液态氢载体，太阳能驱动的光催化甲醇制氢为氢气的储运提供了一种可持续发展的途径。由于水和甲醇之间的混溶性，水在甲醇中作为溶剂和反应物存在。然而，水对光催化甲醇制氢的催化反应过程的影响尚未得到充分研究。

近日澳大利亚昆士兰大学王连洲教授团队以担载铂的氮化碳模型光催化剂为研究对象，深入研究了水在光催化甲醇制氢反应过程中发挥的作用。首先，实验观察到光催化甲醇制氢的反应速率随着甲醇水溶液中水浓度的下降而上升，同时提高了对甲醇制氢副产物甲醛的选择性（图1）。

图1. 铂/氮化碳光催化剂在不同水含量的甲醇水溶液中的光催化性能。

结合原位光谱技术、同位素效应和理论模拟，对水在光催化甲醇制氢催化反应过程中产生的影响进行了深入研究。一方面，水和甲醇分子在光催化剂表面存在竞争吸附关系，换句话说，水的存在抑制了甲醇分子吸附到催化剂表面。另一方面，光催化甲醇制氢的副产物从光催化剂表面脱附是最有可能的决速步骤，而水的存在不利于反应副产物的脱附。基于上述两点作用，随着水含量升高，光催化甲醇制氢的反应速率迅速降低（图2）。

图2. 水对光催化甲醇制氢反应过程中的作用机理。

不同于此前相关工作集中研究水在光催化甲醇制氢中作为反应物的影响，本研究揭示了水作为溶剂是如何影响光催化甲醇制氢反应过程中反应物的吸附和产物的脱附。此项工作为其他反应系统的机理理解、反应介质的选择以及液相多相催化应用的催化剂的设计提供了重要指导。

论文信息

Unveiling the Role of Water in Heterogeneous Photocatalysis of Methanol Conversion for Efficient Hydrogen Production

Dr. Mu Xiao, Dr. Ardeshir Baktash, Dr. Miaoqiang Lyu, Dr. Guangyu Zhao, Prof. Yonggang Jin, Dr. Lianzhou Wang

澳大利亚昆士兰大学的肖慕博士和 Ardeshir Baktash博士为共同第一作者。项目得到了澳大利亚基金委项目的支持。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202402004