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中科院理化所张铁锐AEM：钯修饰氢化二氧化钛光热催化氮气氧化制硝酸

邃瞳科学云

2022-02-15

导读：该工作开发了一种基于钯修饰的氢化二氧化钛的串联光热辅助光催化氮气氧化反应体系，该体系通过模拟工业过程，将氮气氧化过程和水合过程空间分离，实现了高选择性制备单一氧化产物硝酸。

文章信息

钯修饰氢化二氧化钛光热催化氮气氧化制硝酸

第一作者：张学瑞

通讯作者：施润*，张铁锐*

单位：中国科学院大学，中国科学院理化技术研究所

研究背景

光催化为在温和条件下将氮气分子直接转化为高附加值含氮化学品提供了新途径，但仍然面临可见光利用率低和产物选择性的限制。另一方面，在多能量场耦合（光热）的催化过程中，如何在反应过程中有效实现光热耦合，在选择讨论光热催化，光辅助热催化还是热辅助光催化的反应机理方面目前尚未定论，仍然有待于进一步的探索。

文章简介

基于此，来自中国科学院理化技术研究所的张铁锐，施润研究员，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Photothermal-Assisted Photocatalytic Nitrogen Oxidation to Nitric Acid on Palladium-Decorated Titanium Oxide”的研究文章。

该工作开发了一种基于钯修饰的氢化二氧化钛的串联光热辅助光催化氮气氧化反应体系，该体系通过模拟工业过程，将氮气氧化过程和水合过程空间分离，实现了高选择性制备单一氧化产物硝酸。硝酸产率从室温的0.56 μmol g^-1 h^-1增加至200℃的4.58μmol g^-1 h^-1。同时，350nm处单色光量子产率从0.24%提高至0.99%。

值得注意的是，我们详细探讨了光和热的引入对氮气氧化反应体系的影响。增强的氮氧化活性被证明是一种光热辅助光催化的反应机制。该光热辅助的光催化氮气氧化制备硝酸策略为开发清洁节能的硝酸生产开辟了新的途径。

图1. 光热辅助光催化 N₂ 氧化过程的示意图

本文要点

要点一：串联光热辅助光催化氮气氧化反应体系介绍

模拟工业氨氧化制备硝酸过程，构建串联体系，将氮氧化系统和水合制备硝酸系统分离，避免了在反应物中引入水源导致的可能的氮还原过程，从而实现高选择性制备单一氧化产物硝酸。

图一串联光热辅助光催化氮气氧化反应体系介绍

要点二：系统研究光热催化中光热效应区别

通过选择温度和光强作为变量，系统研究了在氮气氧化反应过程中光效应和热效应的区别。从图中可以得到固定温度紫外光强变化，以及固定光强温度变化对反应性能和量子效率的影响。该研究思路可以拓展至其他光热催化反应的研究过程中。

图二系统研究光热催化中光热效应区别

要点三：温度和时间响应的电子顺磁共振谱测试

为了更好地研究热的引入在光热催化中的作用，我们开发了温度和时间响应的电子顺磁共振谱测试通过该测试以及自由基淬灭实验，我们确定了超氧自由基为反应过程中的关键中间体，同时其含量随着温度的升高而增加，从而提高了光催化氮气氧化反应的效率。该方法为拓宽光热催化领域测试表征手段提供了新思路。未来类似的热响应，和光响应的表征手段会更多地应用在该研究领域中。

图三温度和时间响应的电子顺磁共振谱测试

文章链接

Photothermal-Assisted Photocatalytic Nitrogen Oxidation to Nitric Acid on Palladium-Decorated Titanium Oxide

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103740

通讯作者简介

张铁锐

中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师，中国科学院光化学转化与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士(1994–1998)，吉林大学有机化学博士(1998–2003)。之后，在德国(2003–2004)、加拿大(2004–2005)和美国(2005–2009)进行博士后研究。2009年底回国受聘于中国科学院理化技术研究所。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究，在Nat. Catal.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed，JACS，Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文270余篇，被引用超过24000次，H指数82，并入选2018-2021科睿唯安“全球高被引科学家”；申请国家发明专利42项(已授权31项)，在国际会议上做特邀报告40余次。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获得：皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、国家“万人计划”科技创新领军人才等资助、以及太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。兼任Science Bulletin副主编以及Advanced Energy Materials、Advanced Science、Scientific Reports、Materials Chemistry Frontiers、ChemPhysChem、SolarRRL、Carbon Energy、Innovation、SmartMat 等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委，中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员、中国化学会青年工作者委员会-委员等学术职务。

施润

中国科学院理化技术研究所项目副研究员，超分子光化学党支部书记。天津工业大学材料科学与工程学士（2008-2012），中国科学院大学材料学博士（2013-2018）。在张铁锐课题组从事超浸润三相界面材料结构设计，及三相光、电催化反应体系研究。累计发表SCI论文80余篇，其中以第一作者/通讯作者身份在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等期刊发表论文25篇，h因子39，申请国家发明专利5项。主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金面上项目、南航科研基地开放课题及理化所所长基金等项目。2017年获得博士生国家奖学金，2018年获得理化所优秀共产党员，2021年入选中科院青年创新促进会会员，以及科睿唯安“全球高被引科学家”。

第一作者简介

张学瑞

中国科学院大学2017级博士研究生，目前主要研究内容为超浸润三相界面体系及光电催化反应体系研究。现已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.等期刊以第一作者或合作作者发表论文7篇。

课题组介绍

http://zhanglab.ipc.ac.cn/

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