吴骊珠研究员团队利用太阳能将二氧化碳还原与有机反应相结合丨CellPress论文速递
催化利用太阳能将二氧化碳催化还原为可被利用的燃料和增值化学品，一直被认为是一种可能解决温室效应和能源危机的重要能源储存途径。然而，传统的催化研究体系通常是利用光生电子还原CO2，而催化剂上对应产生的空穴只能靠外加昂贵的牺牲剂才能清除， 否则就会造成催化剂结构被破坏，活性降低等后果。
近日，中科院理化所吴骊珠研究员团队首次提出了将太阳能驱动的有机氧化反应和二氧化碳还原相结合的实例，实现了光生电子和空穴对的充分利用。在可见光照射下，CdSe/CdS量子点(QDs)表面的电子使CO2转化为CO，选择性高达96%，同时，1-苯乙醇则被表面空穴氧化偶联形成频那醇。这一策略为经济高效的光催化CO2还原提供了有效的方案，并为高效的太阳能-燃料转换开辟了新的视野。相关成果于7月22日发表于Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Chem上。
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为了将CO2转化为相应的气态产物(如CO、CH4、C2H4)和液态产物(如HCOOH、CH3OH、C2H5OH)，人们已经付出了巨大的努力。将CO2还原反应与水(H2O)氧化反应相结合被认为是将太阳能储存在CO2还原产物与O2的化学键中的理想反应。到目前为止，各种类型的半导体材料(如CdSe、TiO2、InVO4、BiOBr和ZnIn2S4)都能够利用H2O作为质子和电子供体来驱动多电子CO2的还原(通常是CO或CH4)。然而，由于动力学缓慢的氧化半反应(2H2O→4e- + 4H+ + O2)使得这些光催化系统受活性低、稳定性差的限制。相反，以牺牲试剂为代价的CO2光还原(如抗坏血酸、亚硫酸钠(Na2SO3)、三乙醇胺(TEOA)和N、N、N '、N ' -四甲基对苯二胺(TMPD) 作为空穴清除剂)，在科学上显示出对CO2有效转化的可行性。然而，这种策略在经济上是不可行的，不仅成本昂贵，而且浪费了光生空穴的氧化能力。实际上，利用这些激发的空穴来驱动有意义的化学反应是非常可取的。近年来，光催化制H2与有机氧化合成反应相结合的例子已经被报道，可以同时产生太阳能燃料(H2)和有机增值化学品。然而，还没有人成功利用太阳能将二氧化碳光还原和有机氧化合成相结合。
吴骊珠研究员团队研究人员合成了CdSe/CdS半导体量子点(QDs)，利用光催化CO2还原，并结合可见光下的氧化有机反应，从而充分利用被激发的电子和空穴，同时产生CO的气体产物和增值化学品(频那醇)的液体产物。此外，还原产物(CO)和氧化产物(频那醇)分别在气相和溶液中自发分离。
他们发现CdSe/CdS量子点比CdSe量子点、 CdS量子点以及物理混合的CdSe+CdS量子点的催化活性都高，此外，通过比较不同厚度的CdS的影响，优化得到三个CdS原子层的CdSe/CdS光催化CO2还原速率高达~412.8 mmol g-1 h-1, 同时可见光下转化率高达96%。此外，CdSe/CdS QDs对CO2光还原也表现出良好的稳定性。同时，频那醇的反应速率也达到最大26.5 mmol g-1 h-1, 转化率为74%。进一步研究表明，芳基环上引入供电子基团显著提高了相应频那醇的转化率，例如，在芳基环的对位具有给电子基团的1-苯基乙醇转化为相应频那醇的转化率高达98%。该系统在将太阳能大规模转化为化学燃料方面具有巨大的应用潜力。
这一研究成果为太阳能驱动的催化二氧化碳还原提供了确切的答案，并且由于其极高的催化活性和良好的成本效益，为高效的太阳能-燃料转换开辟了一个新的领域。
论文主要作者简介
关于 吴骊珠 研究员
吴骊珠，1995年获中科院感光化学研究所有机化学专业博士学位，随后留任研究所从事超分子光化学研究，1997年赴香港大学化学系从事博士后研究，1999年回国任中科院理化技术研究所研究员，现为超分子光化学实验室主任，科技委委员。2001年获得国家自然科学基金“杰出青年基金”资助，结题被评为优秀，2004年入选“新世纪百千万人才工程国家级人选”，2006年荣获“第三届中国青年女科学家奖提名奖”，2006年享受国务院政府津贴，2007年获得国家自然科学基金“杰出青年海外青年基金”资助，2007年荣获“第十届中国青年科技奖”，2009年荣获“第三届中国科学院十大杰出妇女”，2010年荣获“第七届中国青年女科学家”奖，2011年荣获“中国科学院朱李月华优秀教师奖”。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Efficient and Selective CO2 Reduction Integrated with Organic Synthesis by Solar Energy
论文网址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30281-5
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.06.019
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