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Angew: 多孔聚合物微反应器助力实现毫摩尔级可见光催化全解水制氢

邃瞳科学云

2024-08-12

导读：本文基于廉价易得的聚合单体，设计开发出多孔聚合物微反应器，通过将Co9S8/CdS催化剂锚定于微反应器孔道壁上，在可见光催化分解纯水反应中，氢气和氧气合成效率分别高达4.41和2.20 mmol/h/

第一作者：端木传嵩、王庭伟、孟新宇

通讯作者：潘云翔，李锦锦

论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202412796

“双碳”背景下，氢能成为推动能源生产消费绿色低碳转型的重要抓手，是能源结构优化的主要发展方向。可见光催化全解水是合成绿氢的理想途径。例如：远离陆地的轮船和极地环境下，通过可见光催化全解水反应，既可合成绿氢也可合成氧气，进而维持正常工作和生活。但目前已报道的绝大部分可见光催化全解水反应体系效率与商业应用要求相距甚远。

上海交通大学潘云翔教授、华东理工大学李锦锦副研究员、淮阴工学院端木川松副教授等合作，基于廉价易得的聚合单体，设计开发出多孔聚合物微反应器，通过将Co₉S₈/CdS催化剂锚定于微反应器孔道壁上，在可见光催化分解纯水反应中，氢气和氧气合成效率分别高达4.41和2.20 mmol/h/g_cat.，这是传统光催化反应器内反应效率的400倍以上。这为光催化水分解制氢的商业化应用提供了重要技术和理论支撑。

传统光催化反应器内，催化剂分散于水中，需利用搅拌提升催化剂在水中的分散度。但水分子和催化剂均快速运动，这不利于水分子在催化剂表面的吸附和分解反应，严重降低反应效率。传统光催化反应器内，对于光催化分解纯水反应而言，由于无牺牲试剂捕获光生电荷，光生电荷分离效果差，进而严重降低反应效率。传统光催化反应器内，Co₉S₈/CdS催化剂上只存在用于分解水制氢的Co-S催化活性位，而无水分解制氧催化活性位，因此，传统光催化反应器内只有微量H₂生成，而无O₂。与此不同，研究团队开发的多孔聚合物微反应器内，催化剂固定于微反应器孔道壁上，水缓慢流过孔道、停留时间长，可与催化剂充分作用，进而显著提升水分解反应效率。研究表明聚合物微反应器骨架协助分离光生电子和空穴，即使在无牺牲试剂条件下，微反应器内光生电荷分离效率也达到传统光催化反应器的10倍以上，这有利于提升水分解反应效率。另外，Co₉S₈的Co原子与聚合物微反应器骨架O原子之间存在化学键，形成丰富Co-O键，这提供了水分解制氧催化活性位，这也大幅提升了水分解反应效率。