化工學院李偉副教授課題組在《Nature Communications》上發表最新研究成果

近日，我?；瘜W與化工學院李偉副教授課題組在有機-無機復合光催化薄膜制備和平板式分解水制氫方面取得重要進展，相關研究成果以“0.68% of solar-to-hydrogen efficiency and super-high photostability: Panel H₂O-to-H₂ conversion based on a novel organic-inorganic membrane catalyst”為題發表在Nature子刊《Nature Communications》（自然指數期刊，綜合性1區TOP期刊），我校為第一通訊單位，化學與化工學院李偉副教授為第一作者和通訊作者，環境科學與工程學院（碳中和科學與技術學院）王傳義教授為共同通訊作者，課題組段汶碩士為第一實驗完成人。國家自然科學基金（22376131）提供經費支持。該研究受到日本知名學者Domen教授的技術點評，并得到了中國科學院趙進才院士的鼎力支持。該研究的發表極大地推進了我校在相關學科領域的影響力。

近年來，太陽能驅動的光催化技術被視為是解決環境污染和能源短缺問題的前瞻性策略。其中，太陽能驅動的平板H₂O-to-H₂ (HTH)轉化是一項將太陽能轉換成增值化學能的新型生產技術。然而，由于平板反應器中流體和氣泡的機械剪切力影響，絕大多數的常歸顆粒光催化劑在平板反應器中難以維持穩定的光催化性能，而且單一的光驅動催化機制對于獲得更高的催化性能顯然存在很大的局限性，不利于該項技術的實際應用推廣。本課題組在研究中發現，構建穩定的光催化薄膜可以有效解決顆粒光催化劑存在的上述不足，能夠實現多場驅動下的激子分離，獲得更為高效和持久穩定的催化性能表現。

本研究首先制備了一種具有快速激子轉移動力學（CdS-to-Pt）的高活性CdS@SiO₂-Pt光催化劑，將其與有機鐵電PVDF復配，采用高分子的加工方法將其制備成有機-無機復合薄膜。研究表明，該復合光催化薄膜因其協同的有機-無機界面電子相互作用，顯示出超高的耐光性和優異的分離回收性能，極大地克服了無機顆粒催化劑在實際應用中存在的不足，且在堿性條件下可以進行高效的模擬太陽光驅HTH轉化，其轉化速率為213.48 mmol?m^-2?h^-1，STH（solar-to-hydrogen）轉化效率達到了0.68%。尤為重要的是，該光催化薄膜被重復使用50次后（工作時長達300 h），其形態和微觀結構沒有明顯變化，仍保持穩定的活性表現。

基于該薄膜光催化材料，本課題組自行組建了可進行室內和室外作業的平板式光催化反應系統，取得了初步的研究進展。該研究為平板光催化制氫技術的實際應用提供了新思路。

CdS@SiO₂-Pt光催化劑和有機-無機光催化薄膜的制備與表征；平板制氫反應系統的調試現場照片

文章信息：

W. Li*, W. Duan, G. Liao, F. Gao, Y. Wang, R. Cui, J. Zhao, C. Wang*. 0.68% of solar-to-hydrogen efficiency and high photostability of organic-inorganic membrane catalyst. Nat. Commun. 2024, 15, 6763. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51183-2

新聞小貼士：

李偉，副教授，碩士生導師。主持國家自然科學基金-面上項目/青年項目2項，校級博士啟動項目1項，成果轉化1項。主要從事微納催化材料的結構設計與制備、光催化水體污染物的凈化處理及高值轉化、光催化制氫技術的開發等相關研究。相關研究成果發表在Nat. Commun.; Appl. Catal. B-Environ.; Small; J. Catal.; Chem. Eng. J.; J. Mater. Chem. A; Solar RRL; Renew. Energy; Environ. Sci.: Nano; ACS Sustainable Chem. Eng.等國際權威刊物60余篇，參編外文學術專著1部，ESI高被引論文3篇，總被引頻次2500余次，H指數29 (Scopus)，授權發明專利5件。入選2023年度全球前2%TOP科學家榜單（美國斯坦福大學發布），《Frontiers In Catalysis》雜志評審編委，云南省、江西省、黑龍江省科技廳專家庫評委，全國研究生教育評估監測專家庫專家，第四屆石墨烯、氮化碳等光催化材料國際學術研討會組委會成員，受邀擔任Adv. Mater.; Adv. Energy Mater.; Adv. Function. Mater.; Appl. Catal. B-Environ.; Small; J. Hazard. Mater.; ChemSusChem; Chem. Commun.; J. Clean. Prod.; Appl. Surf. Sci; Renew. Energy等刊物審稿人。

（核稿：黃文歡 編輯：郭乃力）