化工學(xué)院綠色催化研究團隊在研究領(lǐng)域取得重要進展

化學(xué)與化工學(xué)院綠色催化研究團隊圍繞國家重大需求和學(xué)術(shù)前沿，致力于能源環(huán)境催化和含氟化合物合成兩大課題的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，開展高效催化劑的設(shè)計合成和綠色催化過程的開發(fā)及其應(yīng)用相關(guān)科學(xué)問題的研究工作。近期，團隊圍繞碳中和目標，在高效低碳烷烴脫氫、CO₂資源的催化轉(zhuǎn)化、電解水產(chǎn)氫和氧的催化體系研發(fā)等方面取得一系列重要研究進展。

圖1 CO₂催化轉(zhuǎn)化體系開發(fā)：（a）GaN/SiO₂催化CO₂氧化丙烷脫氫，（b）Ce-NPs/Co-NSs催化CO₂和甲醇合成DMC，（c）Co-Cu-Mn三金屬光熱催化CO₂加氫反應(yīng)和（d）ZrO₂/Cu-Cu₂O電催化CO₂制備乙烯

在高效低碳烷烴脫氫、CO₂資源化利用方面，團隊在CO₂氧化丙烷脫氫、CO₂還原等課題開發(fā)出高效催化體系，其中，在CO₂氧化丙烷脫氫制備丙烯反應(yīng)中，團隊開發(fā)出具有微孔/介孔結(jié)構(gòu)的GaN/SiO₂分子篩，研究了分子篩酸堿性、孔道結(jié)構(gòu)、組成等特性與反應(yīng)性能之間的關(guān)聯(lián)性，相關(guān)成果發(fā)表在Chem. Eng. J.期刊上（Chem. Eng. J., 2022, 422, 134443，圖1a）。構(gòu)建了Ce-NPs/Co-NSs催化劑，用于催化CO₂和甲醇合成碳酸二甲酯（DMC）反應(yīng)，研究表明，CeO₂NPs可以吸附并活化甲醇，而Co₃O₄NSs不僅作為負載CeO₂NPs的載體，還能夠提高CO₂吸附量，相關(guān)成果發(fā)表在Fuel期刊上（Fuel, 2022, 325, 124945，圖1b）。在CO₂還原方面，團隊通過電還原以及光熱催化等手段，將CO₂轉(zhuǎn)化為乙烯、CH₄等重要化學(xué)品，開發(fā)出ZrO₂/Cu-Cu₂O界面催化劑能夠電催化CO₂還原成乙烯產(chǎn)品，乙烯的法拉第效率可達62.5%，電流密度為24 mA cm^-2。開發(fā)了Co-Cu-Mn三金屬催化劑能夠在光熱條件下高效催化CO₂還原為CH₄。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Green Chem.期刊上（Green Chem., 2022, 24, 1527；2021, 23, 5775，圖1c和d）。這些論文均以陜西科技大學(xué)為第一完成單位，何珍紅教授、劉昭鐵教授、韓布興院士為論文通訊作者，化工學(xué)院研究生王忠宇、孫永昌、郭攀攀、李竹惠等為論文共同作者。

圖2 環(huán)己烷氧化體系開發(fā)：（a）Bi₂WO₆/BiOCl光催化環(huán)己烷氧化制KA油；（b）In₂O₃/N-TiO₂光催化環(huán)己烷氧化高選擇性制環(huán)己酮。電解水體系開發(fā)：（c）NiFeW LDH作為OER反應(yīng)的高效電催化劑；（d）核殼Ni_1-x-yFe_xV_yS₂@NiFe(OH)_z作為OER反應(yīng)的高效電催化劑

在烷烴資源綜合利用方面，開發(fā)出氧空位修飾的超薄Bi₂WO₆/BiOCl異質(zhì)結(jié)納米片催化劑，利用原位產(chǎn)生的氧空位并以空氣為氧化劑，在無溶劑反應(yīng)體系中，高效光催化環(huán)己烷氧化制備環(huán)己酮和環(huán)己醇（KA油），該成果發(fā)表在Appl. Surf. Sci.期刊上（Appl. Surf. Sci., 2022, 584, 152606，圖2a）。開發(fā)出In₂O₃/N-TiO₂p-n異質(zhì)結(jié)催化劑，在綠色和溫和的反應(yīng)條件下（室溫、常壓和無溶劑），在模擬太陽光下實現(xiàn)了預(yù)期的光催化性能。與純TiO₂相比，5%In₂O₃/N-TiO₂復(fù)合材料的催化活性提高了4倍，對環(huán)己酮的選擇性約90%，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于J. Phys. Chem. C期刊上（J. Phys. Chem. C, 2021, 125, 19791，圖2b）。這些論文均以陜西科技大學(xué)為第一完成單位，王寬副教授和劉昭鐵教授為論文通訊作者，化工學(xué)院研究生王俊磊、薛冰、李松松等為論文共同作者。

在綠色能源開發(fā)方面，團隊設(shè)計并制備的NiFeW水滑石（NiFeW LDH）催化劑在堿性環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和良好的穩(wěn)定性，并通過理論計算確定該催化劑的活性位點及其在OER過程中的反應(yīng)機理，相關(guān)研究成果發(fā)表在Chem. Eng. J.期刊上（Chem. Eng. J., 2021, 426, 130768，圖2c）。設(shè)計并合成了一種用于OER的新型三金屬NiFeV二硫化物@無定形NiFe氫氧化物核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，該催化劑在堿性O(shè)ER中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。研究表明，NiFeV二硫化物與非晶態(tài)NiFe氫氧化物之間的強協(xié)同作用可以促進非晶態(tài)NiFe氫氧化物表面上Ni或Fe活性位點的電子構(gòu)型的產(chǎn)生，優(yōu)化OER中間體（*OH、*O和*OOH）的結(jié)合能并提高OER活性，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chem. Eng. J.期刊上（Chem. Eng. J., 2022, 430, 133047，圖2d）。該部分論文均以陜西科技大學(xué)為第一完成單位，楊陽副教授和劉昭鐵教授為論文通訊作者，化工學(xué)院研究生郭鵬飛、朱兵等為論文共同作者。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134443

https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124945

https://doi.org/10.1039/D1GC04284J

https://doi.org/10.1039/D1GC01152A

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152606

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c05730

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130768

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133047

(核稿：仝建波 編輯：劉倩）