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科研进展

我校教师在液相等离子体合成领域取得系列研究进展

时间：2024-08-28 点击数：

等离子体合成是指在气体或液体中通过高电压产生等离子体状态，从而实现分子激发和化学反应的过程。随着全球低碳目标的不断推进，等离子体放电驱动的催化技术引起了研究者们越来越多的关注。与光催化和弱电驱动催化等其它清洁技术相比，高压等离子体放电能够更有效地激发惰性小分子，显著降低反应势垒，从而数量级提升惰性小分子的转化速率。然而，等离子体激发活化小分子的反应路径复杂多变，如何诱导活性物种进行定向反应仍然面临挑战。针对这一问题，张昕彤教授团队发展了新型的液相等离子体催化技术：利用半导体催化剂在液相中的良好分散性，扩大了等离子体与催化剂的作用区域；借助半导体催化剂的介电特性，增强了等离子体放电的效果；通过对半导体催化剂进行表面工程调制，成功优化了活性物种的反应路径。在过氧化氢的清洁合成、固氮及单原子催化剂制备等方向取得了重要进展，为清洁能源驱动的小分子低碳、高效转化提供了新思路。相关研究成果相继发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)和《化学通讯》(Chemical Communications)等国际知名期刊。

过氧化氢（H₂O₂）是一种清洁化学品，广泛应用于造纸、消毒、环保、化工、电子和军工等领域。目前，95%的过氧化氢生产仍依赖于蒽醌工艺，每生产100万吨H₂O₂会排放300万吨CO₂，寻求替代工艺、降低过氧化氢生产过程的碳排放是备受瞩目的前沿问题。为此，该团队提出了一种以清洁电能驱动的液相等离子体催化合成H₂O₂的策略。对40种常见的半导体催化剂进行实验筛选，发现氮化碳材料在液相等离子体中表现出最佳的催化合成H₂O₂活性。进一步对68个氮化碳模型的高通量密度泛函进行计算，并使用29个描述符建立机器学习模型，优化得到了氰基表面修饰的氮化碳为最佳催化剂构型。最终，液相等离子体催化合成H₂O₂的累积浓度达到了20 mmol L⁻¹，比目前报道的氮化碳光催化水平高出两个数量级。机理分析表明，该液相等离子体催化体系能够诱导氧分子激发为单线态氧，从而显著提升H₂O₂的产率，这为H₂O₂的合成提供了一种既高效又可持续的新视角。该成果以“Sustainable H2O2 Production via Solution Plasma Catalysis” 为题，自由投稿发表于国际著名期刊PNAS上，论文的第一作者为星空·体育（StarskySports）官方网站博士研究生梁爽、吴琦；通讯作者为星空·体育（StarskySports）官方网站张昕彤教授、王长华副教授。

图1：液相等离子体催化制备过氧化氢成果相关图

氮肥是农业生产的基础，但传统的固氮方法-哈伯法，产生大量温室气体，每生产1吨氨排放1.9吨二氧化碳，氨生产过程中总的二氧化碳排放量约占全球碳排放的1.8%。因此，开发清洁高效的固氮技术具有重要意义。该团队研发了一种过渡金属氢氧化物辅助的液相等离子体固氮技术。在等离子体放电过程中，添加Co(OH)₂成功缓解了固氮过程中的溶液酸化，延长了放电时间，为氮的等离子体转化创造了可持续的环境，实现了9.42 mmol L-1的NOx-浓度，超过了商业营养液对氮含量的要求。相关研究成果以“Solution Plasma-Cobalt Hydroxide-Enabled Nitrogen Fixation”为题，发表在国际期刊《Chem. Comm., 2024, 60, 6893》上。论文的第一作者为星空·体育（StarskySports）官方网站硕士研究生欧阳文婷和师资博士后杜京伦，通讯作者为星空·体育（StarskySports）官方网站的张昕彤教授和王长华副教授。王长华副教授还入选了该期刊2024年的先锋学者（Pioneering Investigator）。

单原子催化剂因其高原子利用率、特殊电子结构和强金属-载体相互作用，已成为催化领域的研究热点。然而，传统的单原子制备方法通常采用载体预先缺陷化、再锚定金属单原子的策略，这导致金属还原度低、载体锚定弱，从而限制了催化剂的活性和稳定性。为此，该团队在前期液相等离子体间歇制备单原子Au/CeO2催化剂的基础上《Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2207694》，进一步发展了连续流制备单原子催化剂技术，在0.03 s的停留时间即可实现97%以上的金属前驱体捕获效率，成功制得了CeO2基单原子Au、Rh、Pd、Ru和Pt催化剂以及Au1Rh1/CeO2和Au1Pd1/CeO2双原子催化剂。该连续流溶液等离子体方法利用清洁电力，能够连续生产单原子催化剂，具备原子经济性和无需添加还原剂等优点，为单原子催化剂的程序化和绿色合成提供了有效途径，相关研究成果以“Continuous-Flow Solution Plasma for the Atom-Economic Synthesis of Single/Dual-Atom Catalysts” 为题发表于国际著名期刊《Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2407276》论文的第一作者为星空·体育（StarskySports）官方网站博士毕业生邢艳梅，通讯作者为星空·体育（StarskySports）官方网站张昕彤教授、王长华副教授。