【儀表網 研發快訊】近日，南開大學環境科學與工程/生物質資源化利用國家地方聯合工程研究中心候其東副教授、鞠美庭教授在光熱轉化領域取得最新研究進展。團隊通過在光熱材料表面構筑低導熱率的催化活性層，實現了光熱能量在催化劑/溶劑界面的高效富集，證明了在無外部加熱條件下，太陽能可以作為唯一能量來源高效驅動液相催化反應。本研究提出了從能量最大限度利用角度改進優化催化過程的新視角，為液相催化體系從“外部傳導加熱驅動”轉型為“光熱驅動”提供了一種通用范式。相關成果發表在國際頂級期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。
液相催化反應過程在現代化學工業中占據舉足輕重的地位。從能量利用方式來看，絕大多數液相反應是由外部熱源驅動的，很高比重的能量被用以加熱溶劑或耗散到環境中，導致反應過程能耗高/效率低。光熱效應為實現熱催化反應的動能切換——即將反應驅動力從熱能轉變為太陽能提供了一條新途徑。然而，將光熱材料直接應用于液相反應體系時，材料吸收太陽能產生的熱量會迅速傳導給溶劑和周圍環境，造成熱能的大量浪費，反應效率甚至不如傳統熱催化過程。
針對上述挑戰，研究團隊提出了通過局域光熱效應大幅提升液相催化體系反應效率的通用策略。研究者采用碳納米管(CNT)作為光熱轉化中心，在其表面構筑低導熱率的Zr基配位聚合物(ZrCP)作為催化活性層，形成兼具光吸收能力、光熱轉換性能和熱催化活性的新型催化劑(ZrCP/CNT)，催化劑/溶劑界面能夠高效富集光熱能量，在沒有外部傳導加熱且僅用光照條件下即可實現糠醛高效轉移氫化生成糠醇，單位質量催化劑上產物生成速率(57.1 mmol g?¹ h?¹)高于已知的光催化體系和熱催化體系。
圖1. ZrCP/CNT的合成過程和結構表征
圖2 不同材料對轉移氫化的催化性能
本工作得到了國家自然科學基金、天津市自然科學基金和南開大學科研啟動項目的支持，第一作者為環境科學與工程學院2023級碩士研究生王成旭，候其東副教授和鞠美庭教授為共同通訊作者。
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