催化学报 ›› 2024, Vol. 63: 234-243.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60098-7

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构筑Cu配位结构光催化葡萄糖生产C1化学品

孙露露a,1, 刘诗阳a,b,1, 刘太丰c,*(), 雷东强b,d, 罗能超a,*(), 王峰a,b   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 大连洁净能源国家实验室, 催化基础国家重点实验室, 辽宁大连 116023
    b中国科学院大学, 北京 100049
    c河南大学, 纳米杂化材料应用技术国家地方联合工程研究中心, 纳米功能材料及其应用河南省协同创新中心, 河南开封 475004
    d中国科学院电工研究所, 北京 100190
  • 收稿日期:2024-05-07 接受日期:2024-07-01 出版日期:2024-08-18 发布日期:2024-08-19
  • 通讯作者: *电子信箱: ncluo@dicp.ac.cn (罗能超),tfliu@vip.henu.edu.cn (刘太丰).
  • 作者简介:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家重点研发项目(2022YFA1504904);国家自然科学基金(22025206);国家自然科学基金(21991090);国家自然科学基金(22172157);大连市高层次人才创新支持计划(2022RG13);大连化物所创新研究基金(DICP I202116);中国科学院青年创新促进会(2023192);榆林学院-中国科学院洁净能源创新研究院联合基金(YLU-DNL基金2021019)

Engineering the coordination structure of Cu for enhanced photocatalytic production of C1 chemicals from glucose

Lulu Suna,1, Shiyang Liua,b,1, Taifeng Liuc,*(), Dongqiang Leib,d, Nengchao Luoa,*(), Feng Wanga,b   

  1. aState Key Laboratory of Catalysis, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    cNational & Local Joint Engineering Research Center for Applied Technology of Hybrid Nanomaterials Collaborative Innovation Center of Nano Functional Materials and Applications of Henan Province, Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China
    dInstitute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
  • Received:2024-05-07 Accepted:2024-07-01 Online:2024-08-18 Published:2024-08-19
  • Contact: *E-mail: ncluo@dicp.ac.cn (N. Luo), tfliu@vip.henu.edu.cn (T. Liu).
  • About author:

    1Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2022YFA1504904);National Natural Science Foundation of China(22025206);National Natural Science Foundation of China(21991090);National Natural Science Foundation of China(22172157);Dalian Innovation Support Plan for High Level Talents(2022RG13);DICP(Grant: DICP I202116);Youth Innovation Promotion Association (YIPA) of the Chinese Academy of Sciences(2023192);Joint Fund of the Yulin University and the Dalian National Laboratory for Clean Energy(YLU-DNL Fund 2021019)

摘要:

生物质精炼可以选择性生产生物质基增值化学品和燃料. 其中, 木质纤维素作为重要的废弃生物质资源, 因其储量丰富且可再生, 成为制造化学品和燃料的主要原料. 然而, 在精炼过程中, 由于木质纤维素分子官能团的相似性和化学稳定性, 生成的中间体和产物容易重新缩合, 形成腐殖质等难以利用的物质. 利用半导体光催化产生的光生空穴可在室温下活化化学键, 自由基机制通过阻止碳正离子或碳负离子的形成, 从而避免缩合反应生成腐殖质等. 此前, 我们研究团队已实现Cu/TiO2光催化多元醇和糖类分解为CO和H2, 其中CO选择性高达90% (Nat. Commun., 2020, 11, 1083). 然而, Cuδ+容易被还原成金属Cu, 导致活性结构消失. 因此, 稳定TiO2上原子分散的Cuδ+是光催化葡萄糖分解制C1化学品的先决条件.

本文通过浸渍-焙烧的方法制备N掺杂的Cu/N-TiO2, 促进光催化葡萄糖分解为C1化学品(CO和甲酸)和H2. X射线晶体衍射和球差校正高角环形暗场扫描透射电镜结果表明, N掺杂后在Cu/N-TiO2上形成原子级分散的Cu位点. 以CO为探针分子, 通过傅里叶变换红外光谱对光照前后Cu/TiO2和Cu/N-TiO2中Cu的价态进行研究. 结果表明, 光照后Cu/TiO2中部分Cu+被还原为Cu0, 但Cu/N-TiO2催化剂通过N掺杂能够形成稳定Cu+的化学环境, 从而保持Cu+的价态. X射线光电子能谱结果表明, Cu/N-TiO2中晶格N的结合能降低, 这可能是由于Cu‒N键的电子相互作用所致. 紫外-可见吸收光谱结果证明N掺杂促进由N 2p构成的缺陷能级的形成. 电子顺磁共振光谱结果揭示光照后Cu/TiO2和Cu/N-TiO2内部的电荷转移特性, 结果表明, Cu/TiO2中光生空穴和电子分别迁移至O2‒和Cu; 但Cu/N-TiO2中光生空穴倾向于转移到与Cu原子有电子相互作用的间隙N处, 光生电子迁移到Ti4+处. 在光催化葡萄糖转化反应中, Cu/N-TiO2能实现更高效光催化葡萄糖分解, 产生H2和增值C1化学品, 其产量分别为Cu/TiO2的2.1倍和1.7倍. 理论计算结果进一步表明, 高活性源于N掺杂后Cu/TiO2的价带和缺陷能级转变为含有N 2p的能带结构, 从而产生与Cu/TiO2不同的氧化催化位点. 此外, 光电流测试和荧光光谱测试结果也说明N掺杂能够提高光生电荷分离效率, 促进光催化葡萄糖分解. 此外, Cu/N-TiO2也可用于其他生物质资源包括甘油醛、果糖甚至二糖纤维二糖等的光催化分解. 以甘油醛为模型分子, 证明了在Cu/N-TiO2催化作用下, 甘油醛经历脱羰过程产生乙醇醛自由基. 葡萄糖分解过程类似脱羰机理, C‒C键断裂产生CO和H2. HCOOH很可能来自O‒H键断裂产生的氧为中心的自由基, 在水的帮助下转化为HCOOH和阿拉伯糖.

综上, 本文通过N掺杂促进Cu/TiO2光催化葡萄糖分解为可持续的能量载体H2和C1化学品, Cu配位结构的形成促进电荷分离并捕获光生空穴以氧化葡萄糖, 为设计用于光催化生物质转化的稳定的Cu基催化剂提供了参考.

关键词: 铜催化剂, 配位结构, 生物质, C-C键, 碳一化学品

Abstract:

Photocatalytic decomposition of sugars is a promising way of providing H2, CO, and HCOOH as sustainable energy vectors. However, the production of C1 chemicals requires the cleavage of robust C-C bonds in sugars with concurrent production of H2, which remains challenging. Here, the photocatalytic activity for glucose decomposition to HCOOH, CO (C1 chemicals), and H2 on Cu/TiO2 was enhanced by nitrogen doping. Owing to nitrogen doping, atomically dispersed and stable Cu sites resistant to light irradiation are formed on Cu/TiO2. The electronic interaction between Cu and nitrogen ions originates valence band structure and defect levels composed of N 2p orbit, distinct from undoped Cu/TiO2. Therefore, the lifetime of charge carriers is prolonged, resulting in the production of C1 chemicals and H2 with productivities 1.7 and 2.1 folds that of Cu/TiO2. This work provides a strategy to design coordinatively stable Cu ions for photocatalytic biomass conversion.

Key words: Cu photocatalyst, Coordination structure, Biomass, C-C bond, C1 chemicals