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西安交通大学科研团队在纳米限域光催化研究方面取得重要进展
2021-04-16 11:23:00
西安交通大学
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  “限域催化”是多相催化中的一个重要概念——由于限域空间对反应物种物理化学性质及吸附扩散行为的影响,在限域空间中的催化反应通常比宏观体系中的反应具有更高的活性和选择性。然而,限域作用增强反应性能的本质机理仍不明确,成为限域化学领域的一个亟待解决的挑战性难题。

  近日,西安交通大学电气学院、电力设备电气绝缘国家重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心石建稳副教授团队与德国马普胶体与界面研究所Aleksandr Savateev博士及中科院理化所江雷院士合作,利用石墨相氮化碳(g-C3N4)纳米管膜的一维限域孔道实现了高效光催化过程,证明了纳米限域微环境在调控催化性能上的重要作用。

  该研究工作基于空间限域和流动化学耦合效应,利用g-C3N4纳米管膜的内腔(直径40 nm)作为微型反应器,用于连续流动体系中的光催化有机转化反应。该催化剂每秒每平方米表面上可降解的亚甲基蓝分子数为9.19×1021,数量级远超过文献中报道的宏观体系催化剂活性。纳米金修饰的g-C3N4纳米管膜在苄胺氧化偶联制备亚胺的反应中表现出良好的光催化性能,其表观量子产率为1.9±0.7%,是宏观体系催化剂性能的两倍。进一步研究发现,该限域环境具有对流体性质和电子转移特性两方面的调变作用:限域孔道内流体的实际流速远大于理论流速,进而可能造成氧气的扩散系数增大、反应物分子在固液界面处的有序性增强;纳米管内腔带负电的基团可以形成内建电场,进而引起反应物分子的极化、促进光生电子-空穴对的空间分离。这些“协同限域效应”使g-C3N4纳米管腔内的光催化反应表现出明显不同于宏观反应的特性。该研究工作提供了一种在不改变催化剂组成的情况下,利用g-C3N4纳米管的管腔结构,达到调控空间内物质的物理化学性质,进而提高光催化效率的有效途径,对揭示空间限域效应作用机理、拓展其在催化领域的应用具有重要的意义。

  该研究工作以“Enhanced Organic Photocatalysis in Confined Flow through a Carbon Nitride Nanotube Membrane with Conversions in the Millisecond Regime”(氮化碳纳米管膜限域空间用于增强毫秒尺度下的流动相光催化有机转化)为题发表在材料领域权威期刊 ACS Nano 上。论文第一单位为西安交通大学电气学院,第一作者为电气学院博士生邹雅珺。该工作得到了国家自然科学基金、国家留学基金委等项目的资助,实验测试得到了西安交大分析测试共享中心的大力支持。

  石建稳副教授团队主要从事能源与环境催化的研究工作。近年来,该团队在该领域开展了系列原创工作,在《纳米能源》(Nano Energy)、《应用催化B:环境》(Applied Catalysis B: Environmental)、《ACS纳米》(ACS Nano)、《ACS催化》(ACS Catalysis)等权威期刊发表影响因子大于10的论文20余篇。

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