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化工学院吕志果教授团队在CO2环加成和水裂解制氢领域取得新进展

作者:张超 来源:化工学院 责任编辑:秦洪庆   终审: 点击: 日期:2024-01-24

近日,化工学院吕志果教授团队在CO2环加成制环状碳酸酯和光催化制氢领域取得新进展。相关成果以“Hydroxyl and amino dual-functionalized core-shell molecular sieves featuring hydrogen bond donor groups for efficient CO2cycloaddition”和“Fabrication of novel Ni@NiO hollow structure in NiS/CdZnS catalytic system via NH3-reduction strategy for efficient photocatalytic H2production”为题发表在国际知名期刊Journal of Colloid and Interface Science(中科院大类一区,影响因子9.9)和Separation and Purification Technology(中科院大类一区,影响因子8.6)上。化工学院2021级硕士研究生秦鹏,博士研究生张德鲁分别为第一作者,吕志果教授及张超副教授为共同通讯作者,皇冠官网入口新款为第一通讯单位。

课题组通过共聚策略成功制备了具有双氢键给体位点(-OH和-NH2)的核壳型ILs基催化剂(mSiO2@MCM-NH2-OH),并将其应用于CO2环加成反应。该催化剂(mSiO2@MCM-NH2-OH)具有- OH、- NH2、Br-基团等多个催化活性位点,双HBD基团(-OH、-NH2)与路易斯碱(Br-)的协同作用显著提高了催化活性。并且,核壳结构和共聚策略可以有效防止活性组分在反应中的损失,显著延长了催化剂的使用寿命。基于密度泛函理论(DFT)计算,证明了羟基和氨基在CO2环加成反应中具有重要协同作用,并且提出了双氢键给体(-OH和-NH2)和Lewis碱(Br-)的协同催化机理。

基于实验结果和密度泛函理论(DFT)计算,课题组提出了mSiO2@MCM-NH2-OH催化CO2环加成反应可能的机理。在反应初始阶段,催化剂中的-OH和-NH2基团通过氢键激活环氧化物。随后,由于溴离子的亲核攻击,环氧化物发生开环。由-NH2激活的CO2在催化剂作用下形成了一种氨基甲酸酯中间体,该中间体对开环中间体进行电子亲攻击,形成烷基碳酸酯中间体。最后,碳酸酯的O-与C-Br碳之间的反应导致碳环闭合完成CO2环加反应。此发现不仅揭示了CO2环加成反应的详细步骤,而且提供了一种高效的催化路径,有助于环境友好型化学品的合成,对于提升工业生产效率、降低环境污染具有重要意义,标志着皇冠官网入口新款在可持续化学领域迈出了重要一步。

此外,课题组还提出了一种三聚氰胺海绵NH3还原策略,用于向C(N)骨架中的NiS/CdZnS催化体系引入新型Ni@NiO空心结构,制得Ni@NiO/NiS/CdZnS@C(N)催化剂。三聚氰胺海绵具有充当催化剂载体和还原剂的双重作用。光化学实验表明,Ni@NiO/NiS/CdZnS@C(N)的产氢速率为34456 μmol h?1g?1,是原始CdZnS (9126 μmol h?1g?1)的3.78倍。Z-scheme优化了光催化剂的电子分布,从而提高了NiS/CdZnS催化体系的电子传递效率。基于DFT计算,提出了一种Ni@NiO/NiS/CdZnS@C(N)裂解水制氢气可行的反应机理。结果表明,NiO的吉布斯自由能?GH*仅为-0.36 eV,有利于H2的生成。此外,Ni@NiO/NiS/CdZnS@C(N)在费米能级附近表现出增强的DOS,表明其电子传递性能得到了显著改善。

以上工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金和皇冠官网入口新款-(保定)有限公司高层次人才启动基金的资助。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979723022051

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586624001473

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