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部长介绍
李灿 院士
现任中国科学院大连化学物理研究所研究员、洁净能源国家实验 室主任,2003年当选中国科学院院士。中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养理学博士。曾先后在比利时新鲁汶大学、美国西北大学、英国利物浦大学……
室主任,2003年当选中国科学院院士。中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养理学博士。曾先后在比利时新鲁汶大学、美国西北大学、英国利物浦大学……
学术动态
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我组光电催化制备过氧化氢研究取得新进展


发布人:    发布时间:2019-11-30     返回首页

近日,我组李灿院士、施晶莹研究员等人与华南理工大学廖世军教授团队合作,在人工光合成光电催化氧气还原制备过氧化氢研究中取得进展,研究成果“Efficient hydrogen peroxide synthesis by metal-free polyterthiophene via photoelectrocatalytic dioxygen reduction”以Full Article的形式在线发表在《Energy & Environmental Science》上(W. Fan, B. Zhang, X. Wang, W. Ma, D. Li, Z. Wang, M. Dupuis, J. Shi, S. Liao and C. Li, Energy Environ. Sci. , 2020, DOI: 10.1039/C9EE02247C.)。


过氧化氢(H2O2)是一种清洁、无污染的绿色氧化剂,广泛应用于纸浆漂白、环境净化和化学合成中。它还是一种具有高体积能量密度的无碳能量载体,60%的H2O2能提供3.0 MJ L-1的能量,与35 MPa压缩的氢气相当(2.8 MJ L-1)。利用H2O2构建的无隔膜燃料电池,其理论输出电压为1.09 V,接近质子交换膜氢氧燃料电池的输出电压(1.23 V)。然而,目前工业上主要通过蒽醌法来生产H2O2,该方法生产效率低、能耗高。科学家们一直在寻求可替代的高效、绿色、经济的方法来合成H2O2


其中,利用太阳能合成H2O2是一种极具发展潜力的方法,理论上只需要水、氧气和阳光。然而,到目前为止太阳能规模合成H2O2仍颇具挑战,主要策略包括太阳能水氧化反应(WOR)及氧还原反应(ORR)。WOR动力学缓慢,生产条件下H2O2产物易降解;而ORR光催化剂活性低,对于二电子(2e-)途径选择性差,得到的H2O2产物浓度往往只有数毫摩尔每升(mmol L-1)。先前报道的ORR粉末光催化剂体系制备H2O2的效率很低,往往还需要使用牺牲剂,相比之下,利用空间分离的两个半反应且电解液分离的光电化学(PEC)池可以减少快速逆反应中H2O2的损失。然而,迄今为止仅有极少数的半导体材料对光电ORR反应具有活性。


高分子半导体具有成本低、易于合成和宽谱光吸收等特点,被认为是一类非常有前景的能源转换材料。在我组前期发表的工作中,研究人员将pTTh作为光电催化剂,发现光照可显著促进ORR的电催化活性,起始电位由0.66 V正移到1.34 V(远超商业Pt/C),并组装成H2-O2燃料电池,同样发现了光促进的现象 (Bingqing Zhang, Can Li, et al., Angewandt Chemie International Edition, 2016, DOI:10.1002/anie.201607118)。


本研究在前期发现pTTh具有良好光电ORR性质的基础上,报道了pTTh作为光电阴极高效催化ORR至H2O2,该系统ORR的2e-选择性取决于电解质的pH值,并且在pH约为13时接近100%;生成的H2O2浓度高达110 mmol L-1,比先前报道的光合成方法所得H2O2浓度高两个数量级。此外,光电化学装置中的NiFeOx/BiVO4-pTTh双光电极经过多个循环后仍没有明显的衰减。这种高的2e-选择性归因于pTTh的本征电化学性质。理论计算表明,2e-过程中的选择性决速步是4e-过程的200倍以上。该研究为生产液态太阳能燃料的替代品奠定了基础。 该工作得到了国家重点研究计划项目、国家自然科学基金的资助。


BCCFA

(文/图 范文俊)

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