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    资源化学教育部重点实验室李和兴、张蝶青团队通过“微波超热点”实现类叶绿体仿生光催化剂助攻光生载流子高效分离,此项成果近日以独立单位在线发表于国际期刊Nature Communications,论文题为“A chloroplast structured photocatalyst enabled by microwave synthesis”。  


    团队受光合作用启发,如图所示,叶绿体基粒吸收太阳能产生电子,基质片层作为传输通道转移电子,二者形成的非连续串联结构实现了二氧化碳到有机物的转化。利用微波超热点技术,团队成员发展了一种普适性制备一类具有非连续串联结构的碳纳米管/半导体纳米复合材料。碳纳米管作为微波吸收天线在其表面产生超热点,诱发不同有机/无机前驱体在其表面原位成核、生长。以氧化钛/碳纳米管为例,氧化钛作为吸收太阳能的中心,碳管作为电子转移中心,文章研究了其类叶绿体仿生结构的形貌及其生长过程、碳管表面限域超热点的形成及吸波放热性能、金属离子在碳管表面的定位吸附机制、碳管表面含氧官能团对吸微波生热作用的影响,讨论了微波天线作用诱导超热点对复合材料的形成机理,此复合材料在光催化污染物氧化去除反应中显示了高活性、高选择性及稳定性。  

    与2015年提出的微波在纳米金属上产生超热表面作用不同的是,该研究首次提出微波在碳纳米管上的限域超热点作用。大多数天然材料,由于其独特的微观结构和不同组分的协同效应,显示出惊人的性能。例如,叶绿体具有复杂的微结构,其中不同组分相互协同,使其成为光合作用的关键。从叶绿体结构中获得灵感,采用碳纳米管作为气固界面的微波吸收天线,合成了类叶绿体结构的碳纳米管非连续串联二氧化钛复合材料。由于串联结构中存在Ti-O-C等键合作用,TiO2上激发出的电子会高效转移到CNT上,并通过CNT 三维导电网络继续传递,实现氧化和还原反应的分离,并显示出高效去除一氧化氮污染物的活性、选择性和稳定性。通过对不同结构样品的对比,团队发现,类叶绿体的非连续串联结构催化材料优异催化性能的关键、在于构筑了双电子通道,即TiO2与CNT间的肖特基接触促进定向的电子传输以及CNT导电网络间的欧姆接触实现平衡电荷转移。

    微波天线合成策略有望制备具有新颖仿生结构的高效催化剂,论文中此类高效光催化剂可应用于电厂尾气控制,环境污染气体控制等方面。由于其前驱物可调,强吸微波材料与二元/三元复合材料的合成也将有利于能源、医学等先进材料的开发,对于仿生学、光化学以及催化剂设计具有重大意义。

    论文第一作者为肖舒宁(图1后排 左2),通讯作者为张蝶青教授(图1前排 右2)、李和兴教授(图2)。

    图1

     

     

    图2

      

    (供稿、摄影:化学与材料科学学院)

      

    论文原文网址:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09509-y


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