Small Methods:光催化产氢与合成高附加值化学品结合的研究进展

伴随着全球能源需求的持续大幅增长,不可再生的化石燃料储量逐渐减少并可能会枯竭,当前研究的重点转向了其他更加实际可行的可持续能源。太阳能被认为是理想的取代化石燃料的可持续能源,因此通过光催化水分解氢气析出反应将太阳能转化储存为清洁的氢气(H2)燃料受到了广泛关注。在传统的光催化纯水分解反应中,光激发电子用于还原质子以释放出H2气体,与此同时光激发产生的空穴使水氧化而释放出氧气(O2)。由于光激发电子-空穴对容易复合和水氧化反应缓慢的动力学,以及水氧化反应高的过电势,光催化纯水分解产氢的性能受到很大限制,这样导致太阳能转换成氢能的效率较低。为了提高转化效率并抑制半导体光催化剂的光腐蚀,可以将各种空穴牺牲剂作为电子给体,但是该策略的缺点是增加了成本和产生了废弃物。此外,生成H2的能量有时不足以抵消牺牲剂所需能量。因此,在实际应用中可以使用来源丰富且容易获得的原料作为牺牲剂,用来提高光催化产氢性能并同时合成生产高附加值的化学品。近期的一些研究报道了利用包括生物质(例如,纤维素,半纤维素和木质素)及其衍生物(例如糠醇和5-羟甲基糠醛),醇类以及塑料废弃物在内的大量可再生物质用于光催化产氢和合成高附加值的化学品。

最近,澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院乔世璋教授团队,系统、全面地总结了光催化产氢与合成高附加值化学品结合的最新进展。对于光催化产氢结合高附加值化学品生成这个新研究领域,从反应类型上大致进行了分类:1)光催化产氢与选择性氧化反应结合,例如用苯甲醇作为光催化反应底物,氢气产生的同时可以得到重要的化工原料中间体苯甲醛;2)光催化产氢与耦合反应结合,例如用甲醇反应底物,通过选择性耦合反应,可以得到乙二醇;3)光催化产氢与非选择性氧化反应结合,例如光催化聚乳酸分解,产氢的同时会得到多种氧化产物。这篇文章着重概述了光催化产氢反应与选择性/非选择性的氧化反应结合的基本反应机理,同时将化学方程式引入计算选择性氧化反应的转化率/选择性,此外对最近报道的光催化剂的物理化学性质和性能进行了总结和比较,最后讨论并展望了这个新兴领域扩大规模生产所面临的挑战和机遇。相关综述近期发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000063)。