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宁波材料所在生物质光伏-电催化转化耦合产氢研究方面取得进展
发布时间:2022-02-24 点击浏览:
   生物质作为地球上最为丰富的可再生资源之一,通过催化转化可以制备一系列替代传统化石资源的燃料和化学品,对双碳目标的实现具有至关重要的作用。太阳能是地球上大多数能源的最初源头,将其引入催化反应可以极大地缩短能源利用路径,提高反应过程的可持续性。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所非金属催化团队一直聚焦生物质转化与典型化工反应的高效多相催化研究与应用,基于耦合催化理念,开发了一系列耦合催化新技术和新材料(Nat. Catal., 2021, 4, 1002; Nat. Commun., 2015, 6, 7181; Chem. Eng. J., 2021, 424, 130320; Green Chem., 2021, 23, 3241等)。以生物质催化转化为例,采用二苯基亚砜(DPhSO)同时作为溶剂和催化剂用于果糖脱水制HMF反应,实现了HMF高效合成与分离,为低成本生产高纯HMF提供了全新的技术路线(专利2020115020501;Green Chem., 2021, 23, 3241);制备碳量子点催化剂,实现了50℃低温高效催化果糖脱水制HMF(Catal. Lett., 2021, 151, 1; Mater. Today Chem., 2021, 20, 100423);以泡沫金属上原位生长的Co3O4纳米线和CoOOH纳米片为电催化剂,实现了安全高效制备2,5 -呋喃二甲酸(FDCA)耦合析氢(Appl. Catal. B, 2021, 297, 120396; Green Chem., 2019, 21, 6699)。

  最近,团队以自然光为输入能源,首次将呋喃二甲醇(BHMF)通过光伏-电催化反应转化为高值生物基平台化合物FDCA和氢气。研究人员以8cm×6cm的光伏板(0.65W)为电源,以原位氧化得到的Co3O4纳米片为双功能催化剂电解BHMF碱水溶液,反应90min可获得收率为93.5%的FDCA和高纯氢气。该耦合反应方法不需要使用昂贵的质子交换隔膜,安全性高。此外,光伏耦合电催化能够避免直接光催化因光生空穴氧化能力过高对呋喃环的矿化降解,其产氢效率也远高于直接光催化分解水产氢。研究成果以“Sustainable biomass upgrading coupled with H2 generation over in-situ oxidized Co3O4 electrocatalysts”为题发表在催化领域国际著名期刊Applied Catalysis B: Environmental上(2022, 307(15): 121209,https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121209),相关技术已申请8项中国发明专利和PCT专利,其中一项已获授权(ZL201910891734.6)。光伏-电催化技术为传统催化提供了一条制备生物基高值化学品同时产生绿氢的可持续发展道路。

  本工作得到了国家自然科学基金(22072170)、浙江省自然科学基金(LY19B030003、LQ19B060002)和浙江省重点研发项目(2021C03170)、中科院前沿科学重点研究计划(QYZDB-SSW-JSC037)和宁波市2025科技重大专项(2018B10056、2019B10096)的资助。

光伏-电催化BHMF氧化制FDCA耦合产氢

  (图文:新能源所 谌春林)