目前人们对光催化生物质重整制氢反应的机理仍缺乏深入理解,有鉴于此,台湾成功大学鄧熙聖等报道了以Pt修饰的官能团化石墨烯量子点作为光催化剂,驱动碱性溶液中模拟1个太阳光进行光催化纤维素重整反应。
本文要点:
(1)
催化剂合成。将氧化石墨烯、硫粉在600 ℃中NH3气氛中煅烧,得到S、N-共掺杂氧化石墨烯量子点催化剂。
(2)
光催化降解过程。纤维素重整反应以从结构中的d-葡萄糖单元切断开始,随后转化为脱质子化的C6异己糖酸。进一步的,C6衍生物通过连续的C位点水解、光催化氧化降解为C5~C1。通过色谱、质谱对产物中C6~C1产物的种类和产量进行定量化。最终的含碳产物主要为HCOO-而非HCO3-(或者CO2)。
(3)
催化性能。在1个太阳光中能够稳定工作6天,未见明显的性能衰减。这种改善的催化活性来自于石墨烯量子点中共同修饰的S、N能够钝化缺陷位点,同时作为生成H2的位点。在420 nm光照条件中,该反应制氢的量子效率达到23 %。制氢反应的活性达到理论极限(将纤维素完全降解为H2和HCO3-或CO2)的17.7 %。这种较好的光催化性能来自于,石墨烯量子点催化剂与纤维素底物之间的强相互作用,有效的促进了光生空穴直接注入纤维素底物进行有效的氧化反应,其中在形成·OH的过程中空穴位点没有损耗。
(4)
意义。首次精确展示了纤维素重整反应过程机理,为生物质相关分子的高效降解使用环境友好的碳基光催化剂,同时能够制氢。
参考文献
Van-Can Nguyen, Dipak B. Nimbalkar, Le D. Nam, Yuh-Lang Lee, and Hsisheng Teng*, Photocatalytic Cellulose Reforming for H2 and Formate Production by Using Graphene Oxide-Dot Catalysts, ACS Catal. 2021, 11, 4955–4967
DOI: 10.1021/acscatal.1c00217
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c00217