一氧化碳和氫氣是石油化工、煤化工產(chǎn)業(yè)中大宗的化工原料，可用來(lái)合成烯烴、芳烴等大宗化學(xué)品，也是重要的能源分子。生物質(zhì)是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體，是一種可再生的資源。從生物質(zhì)制備一氧化碳和氫氣，是一種綠色可持續(xù)發(fā)展的過(guò)程。傳統(tǒng)采用高溫(700至1000 °C)氣化方法得到氫氣、一氧化碳、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。采用光催化的方法可以?shí)現(xiàn)常溫下生物質(zhì)產(chǎn)氫，但是生物質(zhì)分子中的碳主要變成了二氧化碳，同時(shí)產(chǎn)生少量一氧化碳。一氧化碳難以從富氫氣體中去除，即使是微量的一氧化碳也會(huì)毒害貴金屬催化劑，不利于氫燃料電池的使用。針對(duì)這些難題，大連理工大學(xué)王敏研究員團(tuán)隊(duì)提出利用光電催化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室溫下催化轉(zhuǎn)化生物質(zhì)多元醇到一氧化碳和氫氣。在光電催化系統(tǒng)中，光陽(yáng)極空穴氧化生物質(zhì)多元醇為一氧化碳和氫離子，電子流入陰極還原氫離子為氫氣，通過(guò)膜隔離一氧化碳和氫氣析出反應(yīng)，陰極室得到高純的氫氣，陽(yáng)極室得到CO，選擇性>75%。
采用兩步法制備了碳布支撐的氮摻雜六方三氧化鎢納米線陣列光陽(yáng)極。首先，利用水熱法制備了碳布支撐的六方水合三氧化鎢納米線陣列，進(jìn)一步通過(guò)氨氣處理得到氮摻雜的六方三氧化鎢。氮以間隙摻雜形式存在于三氧化鎢中。與三氧化鎢相比，氮摻雜誘導(dǎo)了三氧化鎢的結(jié)構(gòu)極化，導(dǎo)致電荷不對(duì)稱分布，進(jìn)而產(chǎn)生了內(nèi)建電場(chǎng)，促進(jìn)光生電荷的分離和抑制了電荷復(fù)合，提高了光電轉(zhuǎn)化效率。氮摻雜形成的內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)了光電催化重整生物質(zhì)多元醇的活性。與三氧化鎢相比，氮摻雜三氧化鎢光陽(yáng)極的一氧化碳生成速率提升了1.5倍。氮摻雜三氧化鎢光陽(yáng)極的一氧化碳生成速率可達(dá)88 mmol m-2 h-1。 該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建了氮摻雜三氧化鎢光陽(yáng)極和鉑片陰極的兩電極光電系統(tǒng)用于分離生產(chǎn)一氧化碳和氫氣。質(zhì)子交換膜隔離一氧化碳和氫氣析出反應(yīng)，其光電催化系統(tǒng)可在陰極室生產(chǎn)高純度氫氣(>99.99%)，在陽(yáng)極室生產(chǎn)一氧化碳(氣相選擇性>75%)。氫氣和一氧化碳的比例為5 ：1。 該研究提供了一種光電催化重整生物質(zhì)多元醇制一氧化碳和氫氣的方法，可以分別得到一氧化碳和高純的氫氣。改工作為生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用提供了一種的新的思路。 論文信息 Photoelectrocatalytic Reforming of Polyol-based Biomass into CO and H2 over Nitrogen-doped WO3 with Built-in Electric Fields Fanhao Kong,Hongru Zhou,Zhiwei Chen,Zhaolin Dou,Dr. Min Wang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202210745
