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寧波材料所在生物質光伏-電催化轉化耦合產氫研究方麵取得進展
發布時間:2022-02-24 點擊瀏覽:
   生物質作為地球上最為豐富的可再生資源之一,通過催化轉化可以製備一係列替代傳統化石資源的燃料和化學品,對雙碳目標的實現具有至關重要的作用。太陽能是地球上大多數能源的最初源頭,將其引入催化反應可以極大地縮短能源利用路徑,提高反應過程的可持續性。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所非金屬催化團隊一直聚焦生物質轉化與典型化工反應的高效多相催化研究與應用,基於耦合催化理念,開發了一係列耦合催化新技術和新材料(Nat. Catal., 2021, 4, 1002; Nat. Commun., 2015, 6, 7181; Chem. Eng. J., 2021, 424, 130320; Green Chem., 2021, 23, 3241等)。以生物質催化轉化為例,采用二苯基亞碸(DPhSO)同時作為溶劑和催化劑用於果糖脫水製HMF反應,實現了HMF高效合成與分離,為低成本生產高純HMF提供了全新的技術路線(專利2020115020501;Green Chem., 2021, 23, 3241);製備碳量子點催化劑,實現了50℃低溫高效催化果糖脫水製HMF(Catal. Lett., 2021, 151, 1; Mater. Today Chem., 2021, 20, 100423);以泡沫金屬上原位生長的Co3O4納米線和CoOOH納米片為電催化劑,實現了安全高效製備2,5 -呋喃二甲酸(FDCA)耦合析氫(Appl. Catal. B, 2021, 297, 120396; Green Chem., 2019, 21, 6699)。

  最近,團隊以自然光為輸入能源,首次將呋喃二甲醇(BHMF)通過光伏-電催化反應轉化為高值生物基平台化合物FDCA和氫氣。研究人員以8cm×6cm的光伏板(0.65W)為電源,以原位氧化得到的Co3O4納米片為雙功能催化劑電解BHMF堿水溶液,反應90min可獲得收率為93.5%的FDCA和高純氫氣。該耦合反應方法不需要使用昂貴的質子交換隔膜,安全性高。此外,光伏耦合電催化能夠避免直接光催化因光生空穴氧化能力過高對呋喃環的礦化降解,其產氫效率也遠高於直接光催化分解水產氫。研究成果以“Sustainable biomass upgrading coupled with H2 generation over in-situ oxidized Co3O4 electrocatalysts”為題發表在催化領域國際著名期刊Applied Catalysis B: Environmental上(2022, 307(15): 121209,https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121209),相關技術已申請8項中國發明專利和PCT專利,其中一項已獲授權(ZL201910891734.6)。光伏-電催化技術為傳統催化提供了一條製備生物基高值化學品同時產生綠氫的可持續發展道路。

  本工作得到了國家自然科學基金(22072170)、浙江省自然科學基金(LY19B030003、LQ19B060002)和浙江省重點研發項目(2021C03170)、中科院前沿科學重點研究計劃(QYZDB-SSW-JSC037)和寧波市2025科技重大專項(2018B10056、2019B10096)的資助。

光伏-電催化BHMF氧化製FDCA耦合產氫

  (圖文:新能源所 諶春林)

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