科學家提出光催化生物質制氫新策略

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員王峰、副研究員羅能超團隊與的里雅斯特大學教授Paolo Fornasiero團隊合作，在光催化生物質制氫方面取得新進展。團隊提出一種“C-C鍵優先”的策略，利用Ta摻雜的CeO₂將生物多元醇和糖的C-C鍵完全斷裂轉化到甲酸、甲醛等C₁液態氫載體，這類液態氫載體可以通過光或熱催化釋放氫氣，顯著提高了光催化生物質制氫的效率。相關成果發表在《焦耳》。

氫氣是一種重要的清潔能源，太陽能光催化生物質重整制氫可以在溫和條件下制備可再生氫氣。然而由于太陽能時間、地域上的分布不均勻限制了光催化生物質制氫過程的持續平穩運行。另外，由于生物質分子結構復雜，化學鍵能較高，導致轉化過程中化學鍵尤其是C-C鍵斷裂不徹底、副反應多，降低了生物質的利用率，從而使產氫收率較低。因此，一種完全斷裂生物質C-C鍵的方法對于提高光催化生物質制氫效率尤為重要。

本工作中，研究團隊通過Ta摻雜制備了一種可見光響應的Ta-CeO₂光催化劑，在光和熱的協同作用下完全催化斷裂生物質的C-C鍵，將多種生物多元醇和糖催化氧化到甲酸、甲醛，收率在62%到86%之間。在光催化氧化過程中，研究團隊通過加熱來抑制Ta-CeO₂上不利的自由基偶聯副反應，由此產生的甲酸和甲醛作為一種優異的C₁液態氫載體（LHCs），相比于氫氣更安全、穩定、方便運輸，通過光催化、熱催化等方式可以完全轉化釋放氫氣。研究發現，光催化葡萄糖氧化得到的C₁ LHCs經過簡單的過濾除去Ta-CeO₂可以直接用于光催化產氫，得到33%的氫氣，是直接光催化葡萄糖產氫收率的2.5倍。

最后，研究團隊通過搭建實驗室規模的流動裝置驗證了太陽能光催化葡萄糖制備C₁ LHCs的可行性。利用聚太陽光提供光能和熱能，Ta-CeO₂催化葡萄糖轉化生成甲酸和甲醛的速率分別為2.2和0.3 mmol h^-1，經過累計15.5小時的太陽光照，C₁ LHCs的收率達到15%。

該工作通過強調生物質C-C鍵優先斷裂的重要性，為氫氣制備和儲存打開了大門。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.01.002