WILEY人物访谈——江苏大学许晖教授

人物访谈

可再生能源制氢——绿氢,目前在氢能来源中占比仍然较低;江苏大学的许晖教授突破瓶颈,创建“自催化法”制备复合光催化产氢催化剂;做大产业,提出宏量制备氮化碳催化剂策略,为光催化产氢的工业化提供了新思路。本期WILEY人物访谈我们邀请许教授为读者分享他关于“绿氢”的研究成果与学术心得。

人物简介

许晖,江苏大学教授。入选国家级青年人才、江苏省杰青、江苏省“333”工程培养对象江苏省“六大人才高峰”高层次人才。2010年博士毕业于江苏大学,美国莱斯大学访问学者。现任中国能源学会能源与环境专业委员会委员。主要从事碳中和领域的科研工作,包括绿色氢能高效制备、CO2催化转化等,主持了国家级、省部级课题10余项,包括3项国家自然基金面上项目。在Cell Reports Physical Science, ACS Nano, Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., Ind. Eng. Chem. Res.等国际期刊发表SCI论文200余篇,IF>10的论文28篇。申请国内外专利30余项,授权中国发明专利12件。发表的论文被SCI引用17000余次,H指数70。其中33篇论文入选ESI高被引论文,10篇ESI热点论文。2013年获中国百篇最具影响国际学术论文奖(第一完成人);2014年获得中国石油和化学工业联合会科技进步三等奖(第二完成人);2018年与海南大学合作获海南省科技进步一等奖(第二完成人);2019年获得江苏省杰出青年基金,2019-2021年连续入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高被引科学家;2021年入选爱思唯尔高被引学者;2019年指导研究生荣获第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖和江苏省赛区特等奖;2020年获侯德榜化工科学技术青年奖;2021年荣获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖(第一完成人)。

MVC:请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作。

许晖(XH):针对当前工业领域化石燃料产氢(“灰氢”)能耗高、二次污染严重等问题,急需开展可再生能源制氢技术(如光解水制氢等)新技术的研发并实现绿氢的高效制备。然而,目前光解水制氢的难点在于:(1)如何精准调控催化剂的能带结构,显著增强光生电荷的氧化还原性能,解决制氢反应热力学(ΔG>0)难点;(2)如何调控催化剂的结构、组成和表界面,促进电子和空穴分离和传输,解决制氢反应动力学缓慢的难点;(3)如何解决固相反应过程中热量及质量传递效率不高的难点,消除放大效应,有效实现催化剂的宏量制备及工程化应用。

近年来主要围绕超薄氮化碳高效制氢体系展开深入研究:(1)发展了利用分子插层有效调控薄层氮化碳催化剂光生电荷氧化还原能力的新策略;(2)率先建立了自催化法构建氧化物/超薄氮化碳复合催化剂促进电子从氧负离子传递到质子氢的新途径,实现了制氢效率的显著提升;(3)基于化工传热、传质原理,提出了热氧化法精准、宏量可控制备超薄氮化碳催化剂及工程化应用的新思路。

MVC:近年来您在光催化二氧化碳还原领域取得了丰硕的研究成果。最近的一项工作千层酥状的Co-Ni-P纳米结构用于二氧化碳光还原发表在《Small》(Small 2021, 17, 2103796),请您为读者分享一下这项工作的灵感来源。

XH受千层糕的启发,设计了一种分层级的中空纳米千层糕结构,可以提供高活性双金属位点促进CO2的吸附和活化。空心纳米千层结构既能作为光的黑洞,又能作为电子收集器。它将几乎所有的光子限制在结构中,并连续传输黑磷量子点(BP量子点)产生的电子。在CO2还原过程中生成稳定的M-C-O-M中间体,有利于后续质子化生成CH4。对CH4的选择性高达86.6%。

MVC:您在Wiley旗下的期刊上发表了多篇论文,哪篇论文让您最为欣赏?为什么?

XH发表在AEnM上的这篇论文(Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700025)是比较系统的Z型复合催化剂研究工作。针对光生电荷在催化剂表界面分离与传输的关键科学问题,建立了自催化法构建金属氧化物/超薄氮化碳复合催化剂的新途径,并通过调控复合催化剂的组成和表界面结构,有效实现光生电子和空穴的快速分离和传递。所制备的氧化铁/超薄氮化碳Z型结构复合催化剂显示出较高的产氢效率,由原先的μmol h-1 g-1 提升至mmol h-1 g-1量级。其外部量子效率提升至44.3%(λ = 420 nm)。除显著增强了产氢反应效率,该Z型结构复合催化剂在没有牺牲剂作用下,显示出全解水性能,为超薄氮化碳催化剂在光解水产氢领域的应用提供了新的途径。

MVC:您在光催化领域研究多年,您认为应如何理性设计二氧化碳还原光催化剂?孪晶过渡金属氧化物纳米线结构在催化过程中有何独特的优势,研究的难点是什么?

XH我们聚焦光催化还原CO2过程载流子供应不足、产物复杂等难题。通过拼接孪生技术可控合成了孪晶过渡金属氧化物纳米线,巧妙地利用光生电荷在孪晶面交界处的定向迁移特点,实现光生电荷的高效分离和富集,进而促进催化反应高效率分级进行;采用孪晶界两侧的双金属位点,在原子水平精准调控C原子质子化形成*CHO中间体的过程,降低决速步热力学壁垒,从而有利于高选择性的转化。并运用材料微观结构调控方法,优化孪晶过渡金属氧化物纳米线的表面结构和孪晶界的稳定性,实现CO2高效、高选择性转化。

难点主要是如何建立拼接孪生法制备孪晶过渡金属氧化物纳米线的方法;孪晶过渡金属氧化物纳米线结构与光催化CO2还原高活性、高选择性间的关系是什么;如何设计并优化孪晶过渡金属氧化物纳米线的表面结构、孪晶界的稳定性及位错组态演化,精准控制其表面反应过程等。

MVC:在休斯敦的工作和学习经历为您的生活和科研工作带来了什么影响?

XH在休斯敦生活、工作和学习的那段经历对于自己的提升较大。到美国休斯敦的莱斯大学学习,体验了不同的文化、科研氛围,并扩展了自己的眼界。Ajayan教授课题组开放、合作、包容的氛围对我的成长帮助较大,起初组里有40多人,来自不同的国家、拥有不同的学术背景,但大家在一起讨论科研的热情非常高,让我感受到合作的重要性。在休斯顿学习的特殊日子里,更加明确了科研学术方向和目标,为之后的科研积累了宝贵的经验:发现自己的潜力、改变思维的习惯、融通合作。

MVC:在您的人生经历中对您影响较大的人是谁(们)?

XH在我的人生经历中影响较大的人是导师李华明教授。李老师是我科研道路上的引路人,读书期间悉心指导并严格要求我的学术与科研,并对课题和论文提供了必不可少的指导与帮助。李老师谦逊正直的为人、深厚的学术造诣、扎实的专业功底和严谨求实的治学风范、追求创新与突破、注重交流与合作的科研品质,深深影响并激励我,是榜样与标杆。

MVC:您在选择研究生的时候有什么标准?对有志从事科学研究的同学们有什么建议?

XH对于研究生的选择其实没有什么具体标准,学生的兴趣是第一位。一般要求就是基础好、英语好、动手能力强、喜欢思考、独立性强。再高一点的要求就是有理想、有追求。

MVC:科研工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

XH为了平衡生活和工作,主要做好以下几点:1、要保持好心态;2、将困难可视化,把每天所要处理的科研与工作写下来。然后将它们分解,今天必须完成哪些,做好分类和规划;3、高效工作,选择工作时间中状态最佳的时间段,保持全神贯注的工作,提高工作效率,其他时间用来思考;4、保持良好的沟通,要与志同道合的人进行必要沟通和交流。

我的一个运动项目就是跑步。长时间扎根办公室和实验室,身心会很容易疲惫。所以找时间跑步,不仅能释放坏情绪,也可以舒展身体,拥有好的状态。毕竟身体是革命的本钱,有好身体才能迅速调节心情,才能支撑自己搞好科研。