有效光合成耦合光催化析氫

1. 文章信息

標題：Efficient benzaldehyde photosynthesis coupling photocatalytic hydrogen evolution            

中文標題： 有效光合成Benzaldehyde耦合光催化析氫

頁碼：52-60  

DOI：10.1016/j.jechem.2021.07.017

2. 期刊信息

期刊名：Journal of Energy Chemistry        

ISSN：2095-4956      

2021年影響因子9.676   （2022年影響因子：13.599）  

分區信息：中科院一區TOP          

涉及研究方向：綜合性期刊          

3.作者信息：第一作者是 華東師范大學羅娟娟 。通訊作者為  中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林院士、華東師范大學陳立松副教授。

4. 光源型號：CEL-HXF300E7

光功率計型號：CEL-NP2000

文章簡介：

為應對嚴峻的能源和環境危機，各國不斷加大開發清潔和可再生能源的力度。氫氣(H2)作為一種能量密度高、最有發展前景的可再生綠色能源引起了廣泛關注。然而，迄今為止，傳統的蒸汽甲烷重整制氫仍是制氫的主要方式，這導致了巨大的能源消耗和嚴重的溫室氣體排放。自1972年Fujishima和Honda第一次報道在TiO2電極上光電化學分解水以來，光催化水裂解制氫一直被認為是將太陽能轉化為化學能的潛在方法之一。然而，析氧反應(OER)動力學遲緩是水裂解的另一種半反應，已成為光催化水裂解商業化應用的最大障礙之一。同時，O2價值較低，在光催化水裂解過程中不可避免地會混入H2，存在潛在的爆炸風險和分離困難問題。

為了克服這些，犧牲試劑如乳酸、抗壞血酸、三乙醇胺、甲醇、甘油、乙醇和Na2SO3/Na2S被用來抑制OER，通過消耗光產生的空穴并加速H2的產生，在此過程中這些犧牲劑被氧化。遺憾的是，這樣的策略會大大增加制氫的總成本，并不能充分利用光生空穴的氧化能力。綜上所述，尋找促進析氫反應(HER)的新策略具有重要意義。

光合成是一種傳統的利用可再生太陽能作為能源的方法，具有光能直接轉化為化學能、反應路徑短、不受苛刻的反應條件和有機試劑的影響等優點。為在溫和的反應條件下合成藥物、精細化學品和高附加值產品提供了一條綠色、清潔的途徑。選擇性氧化是繼聚合反應后的第二大工業工藝，占化學工業總產量的30%，近年來在光合成領域引起了廣泛關注。在眾多的選擇性氧化反應中，芳香醇轉化為相應的醛被認為是最重要的官能團轉化過程之一。此外，醛是一種高價值的中間體，用于有機合成廣泛的化學物質，如糖果香精、染料、香水和藥物。

傳統的醛類合成需要化學計量氧化劑，如鉻酸鹽、高錳酸鹽等，具有毒、強腐蝕性，造成嚴重的環境問題。并極大地阻止了它們的大規模應用。然而，大多數基于光催化材料的醛的光催化合成，盡管比傳統的合成方法更加環保，但都是在有機溶劑中操作或在以氧氣作為一種溫和氧化劑存在的情況下進行的，因此仍然存在光生電子還原能力浪費，環境不友好和效率低下的問題。

因此，采用無氧化劑(或無O2)光合成的方法在水介質中氧化芳香醇選擇性合成芳香醛將是意向的環保工藝，具有重要意義。在該策略中，芳香醇氧化制取有價值化學品的過程不是簡單的犧牲劑消耗，而是以高效氧化制取有價值化學品為主，并與制氫結合，盡管有眾多優點但這仍然是一個巨大的挑戰

一種高性能的光催化氧化芳香醇并促進產氫的光催化劑是上述策略的前提。本文采用兩步水熱法合成了一種高效的非貴金屬雙功能光催化劑，NiS納米顆粒修飾CdS納米棒復合材料(NiS/CdS)。該催化劑對在水溶液和無氧氣氛圍下光合成Benzaldehyde同時促進產氫具有高效的活性，這歸因于NiS和CdS間的協同作用。

最佳方案的光催化30% NiS/CdS在可見光照射下有顯著的光催化產氫速率和Benzaldehyde合成速率分別為207.8μmol h-1, 163.8μmol h-1，比單獨硫化鎘性能高139和950倍。該研究極大地利用光產生的空穴和電子用于生產高附加值精細化學物質和氫氣，因此在綠色可再生能源技術的發展及光催化合成領域中具有重要的意義。