就在最近,《Advanced Materials》杂志发表了重庆大学周小元教授团队在光催化CO₂还原领域的一项重要研究进展。基于金属配位思想,他们提出利用前驱体硫脲分子在聚合形成CN基底前分离锚定单原子的原位合成策略,成功实现单原子催化剂(SACs)的高负载、宏量制备。
以Cu SACs为例,单批次可生成3.565 kg,金属单原子的负载量达到16.03 mol%,这种催化剂还能实现CO₂到HCOOH的高活性(274.88 μmol·g⁻¹·h⁻¹)和高选择性(> 99%)转化,处于世界领先水平。此外,该方法具有普适性,可推广至其他元素SACs的合成,开辟了SACs工业化应用的新前景。文章中使用的CO₂还原反应设备为泊菲莱PLR MFPR-I多功能光化学反应仪。
团队受到金属配位络合物知识的启发,提出了一种新颖的金属配位路线,该路线主要是通过配体(如缩二脲)与金属离子在水溶液中的快速络合形成配合物,然后将配合物进行原位热聚合,以实现高负载,大剂量制备。
要点一:球差电镜+同步辐射+DFT计算等表征证明大剂量,高负载单原子成功制备
通过使用硫脲和各种过渡金属盐作为前躯体,并预先进行缩脲反应,实现金属离子的有效分离锚定。随后,仅需一步简单的热处理,即可生成高负载、大剂量的单原子催化剂。
要点二:高负载密度单原子能有效提高CO₂向HCOOH的转化效率且具有普适性
如图4所示,本底CN表现出很低的催化活性,但是随着Cu单原子的引入,在Cu/CN上会产生大量的HCOOH和少量的CH₄/CO,这表明Cu单原子的引入对催化剂的活性提升发挥了重要作用。特别地,随着单原子的负载量的增加,其光催化性能也随之提高。结果显示催化活性依赖于单原子的负载量,可以通过调控负载量的方式来增加更多的活性位点,进而提升催化剂的光催化性能。
为了进一步拓展这种金属配位策略的普适性,团队也将该金属配位策略推广到其他过渡金属,以实现一系列过渡金属SACs(M/CN,M = Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu 和 Zn)的工业规模合成。该方法的优点在于金属离子与缩二脲快速络合,避免了多步洗涤和加热,有利于避免质量损失,进而实现SACs的规模化生产。最重要的是,该方法的关键是可以实现金属和酰胺基团之间最大化的键合,可以实现高密度金属负载。
该研究探索了一条具有低成本,大规模制备SACs的途径,为潜在的工业应用提供了可能。
PLR MFPR-I多功能光化学反应仪具备4大特点:
1、可实现光热压多场协同催化
设备反应体系温度最高可达180℃(控温精度±0.5℃),压力最大可达0.9 MPa,可实现较宽的温度和压力调节,实现光热压多场协同催化;
2、全自动在线取样
内置取样阀组,可实现与色谱联用,在180℃高温和50 kPa~0.9 MPa不同压力条件下均可进行全自动在线取样,提高实验效率,减少人为误差;
3、兼容性强
多功能釜盖结合顶照和侧照多样化照射方式,可兼容光催化、光电催化和光热催化CO₂还原反应;
4、集成化程度高
反应系统集成加热、搅拌和自动取样模块于一体,体积小巧节省空间。
咨询请拨打:400-116-1365
在PLR MFPR-I多功能光化学反应仪的助力下,周小元教授团队在近两年内发表了多篇高影响因子文章,这些文章均使用了该设备!
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