CdS/Cu-W2N3用于FA光重整的機(jī)理
氫被認(rèn)為是未來的清潔燃料，但傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法仍然是能源密集型和高碳排放。甲酸是一種常見的生物質(zhì)衍生物和氫載體，它的光重整為制氫提供了一種溫和、可再生的途徑。然而，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體催化劑，如CdS，由于競爭性的副反應(yīng)，包括一氧化碳的形成，降低了氫的純度，因此活性低，選擇性差。過渡金屬氮化物最近作為性能改進(jìn)的助催化劑出現(xiàn)，但選擇性限制仍然存在。基于這些挑戰(zhàn)，迫切需要開發(fā)具有工程活性位點的先進(jìn)催化劑，以提高氫光重整系統(tǒng)的效率和選擇性。
近期，西安交通大學(xué)（Xi’an Jiaotong University）、華南大學(xué)（University of South China）和合作研究所的一個研究小組在《碳能源》（Carbon Energy）雜志上報告了一項進(jìn)展（DOI：10.1002/cey2.70024）。該研究提出了一種含有原子分散銅位的Cu-W2N3助催化劑，當(dāng)與CdS結(jié)合時，它顯著提高了甲酸光重整產(chǎn)氫的效率。新體系具有更高的活性和近95%的氫選擇性，優(yōu)于傳統(tǒng)的助催化劑。這項工作揭示了如何在助催化劑表面上定制單原子位點，從而有效地指導(dǎo)反應(yīng)途徑，以產(chǎn)生清潔的氫。
該團(tuán)隊使用改進(jìn)的熔鹽方法合成了二維Cu-W2N3納米片，確保了銅的原子分散而不是聚集成納米顆粒。先進(jìn)的顯微鏡和光譜學(xué)證實了在W2N3晶格中嵌入1氧化態(tài)的Cu單原子位點的存在。這些位點改變了電子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了Cu-N-W電子通道，促進(jìn)了電荷從CdS到助催化劑的快速轉(zhuǎn)移。性能測試表明，CdS/Cu–W2N3混合物的產(chǎn)氫率為172.69 μmol·h-1，選擇性高達(dá)93.7-95%，明顯高于裸CdS（45%）或CdS/W2N3（83%）。
該系統(tǒng)在10個連續(xù)周期內(nèi)也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。機(jī)制研究表明，銅單原子通過減少氮空位來抑制一氧化碳的生成，同時為氫的生成提供有效的新活性中心。密度泛函理論計算進(jìn)一步支持了{(lán)001}面上的Cu單原子在能量上有利于氫的形成�？傊�，這些發(fā)現(xiàn)證實了單原子助催化劑的合理設(shè)計是在太陽能驅(qū)動制氫中同時實現(xiàn)高活性和選擇性的有力策略。
通訊作者Xiangjiu Guan教授說：“我們的研究表明，在氮化鎢中引入單原子銅位從根本上改變了光催化反應(yīng)的選擇性。這些原子分散的位點不僅加速了電子轉(zhuǎn)移，而且抑制了產(chǎn)生一氧化碳的競爭途徑。這種雙重功能使我們能夠在陽光下獲得純度非常高的氫。這項工作強調(diào)了在原子水平上對助催化劑表面進(jìn)行精心設(shè)計，可以為利用可再生資源高效、可持續(xù)地生產(chǎn)氫氣創(chuàng)造新的機(jī)會�！�
Cu-W2N3單原子助催化劑的開發(fā)為實用的太陽能驅(qū)動制氫開辟了新的途徑。通過確保高選擇性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)解決了光催化氫技術(shù)的兩個主要障礙。
除了甲酸，這種設(shè)計還可以應(yīng)用于其他生物質(zhì)衍生燃料和液氫載體，為碳中和能源轉(zhuǎn)換與生物質(zhì)利用的結(jié)合提供了一條可持續(xù)的途徑。該研究還推進(jìn)了單原子催化的更廣泛領(lǐng)域，展示了原子精度如何控制反應(yīng)結(jié)果。最終，這種方法為生產(chǎn)高純度氫氣鋪平了道路，作為運輸、儲存和化學(xué)工業(yè)的清潔燃料。
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