蘭大化學(xué)化工學(xué)院丁勇教授課題組通過(guò)構(gòu)建三元復(fù)合催化劑 探索高效制氫的奧秘
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-02-18 21:32:00
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光催化分解水制氫是一種利用光催化劑在光照條件下將水分解為氫氣和氧氣的過(guò)程，不僅可以制備出清潔能源氫氣，氫氣還可以用于加氫反應(yīng)制備高附加值的化學(xué)品。
但光催化過(guò)程是一個(gè)跨越多個(gè)時(shí)間尺度的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程，如何高效制氫是科學(xué)家們長(zhǎng)期探索研究的重要領(lǐng)域。 近日，化學(xué)化工學(xué)院丁勇教授課題組相關(guān)研究成果在Sci.ChinaChem.（2024,DOI:?10.1007/s11426-024-2358-3）發(fā)表，該研究通過(guò)構(gòu)建三元復(fù)合催化劑，探索高效制氫的奧秘。2022級(jí)化學(xué)萃英班本科生臧金諾為文章共同第一作者，2021級(jí)化學(xué)萃英班本科生宋斌為第二作者。 早在高中時(shí)期，宋斌就與化學(xué)結(jié)下了不解之緣。進(jìn)入蘭州大學(xué)萃英學(xué)院后，由于對(duì)物理化學(xué)領(lǐng)域的催化方向感興趣，他加入了丁勇教授課題組開(kāi)展科研訓(xùn)練，開(kāi)展光催化分解水制氫研究。“學(xué)院個(gè)性化、開(kāi)放化的培養(yǎng)理念能夠讓每一位同學(xué)都有機(jī)會(huì)發(fā)揮自己的長(zhǎng)處，挖掘出自身的最大可能。”臧金諾和宋斌說(shuō)。
學(xué)以致用，探索高效制氫奧秘
催化效率低、光能利用率低、制備出的氫氣純度低等問(wèn)題是目前橫亙?cè)诠獯呋纸馑茪渫茝V落地路上的頑石，這些問(wèn)題都指向同一個(gè)問(wèn)題——光生載流子的復(fù)合重組。 光生載流子指的是光生電子和光生空穴。“只有電子才能將質(zhì)子還原成氫氣，而光照會(huì)產(chǎn)生光生電子和光生空穴，如果不進(jìn)行助催化將兩者分離，就會(huì)瞬間吸引正負(fù)電荷并與其復(fù)合，不能再把質(zhì)子還原產(chǎn)生氫氣。”丁勇教授解釋說(shuō)。 光生載流子的復(fù)合重組會(huì)導(dǎo)致光催化活性較低，光生空穴在催化材料硫化鎘（CadmiumSulfide，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CdS）上的積累也會(huì)導(dǎo)致CdS被光腐蝕，降低光穩(wěn)定性。“因此，光生載流子分離在光催化分解水制氫的過(guò)程中至關(guān)重要。”丁勇教授團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離。 在電子顯微鏡之下觀察臧金諾等人的研究成果，可以看到一塊薄片上附著著一條條棒狀物質(zhì)和小點(diǎn)，這就是他們構(gòu)建的三元復(fù)合Co8POM@MXene-CdS催化劑。其中，薄片是新型二維材料MXene，棒狀物質(zhì)是CdS，而在CdS上負(fù)載的就是氧化助催化劑準(zhǔn)立方烷多酸（Co8POM），可以通過(guò)EDSmapping觀察到多酸中元素的分布。 “簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們所做的就是通過(guò)構(gòu)建三元復(fù)合催化劑，抑制光生電子和光生空穴的復(fù)合，從而提高光催化分解水制氫的效率。”臧金諾介紹說(shuō)。 在這個(gè)三元復(fù)合催化系統(tǒng)中，MX－ene和立方烷多酸的負(fù)載提高了CdS光生載流子分離和遷移效率，光生電子得以從CdS轉(zhuǎn)移到MXene，進(jìn)行產(chǎn)氫反應(yīng)。立方烷多酸接受CdS的光生空穴進(jìn)一步氧化犧牲試劑三乙醇胺，提高了CdS的光催化產(chǎn)氫活性和穩(wěn)定性。 這一新的催化系統(tǒng)使CdS的光催化產(chǎn)氫活性提升了25倍以上，為光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定催化劑提供了新的思路。“我們的這項(xiàng)研究提高了太陽(yáng)能光催化水分解制備氫氣的效率，對(duì)于應(yīng)對(duì)三大化石燃料枯竭有著一定意義，同時(shí)也響應(yīng)了國(guó)家‘雙碳’戰(zhàn)略。”臧金諾說(shuō)。 這一催化系統(tǒng)建立的過(guò)程并非一帆風(fēng)順。 “剛開(kāi)始，由于對(duì)催化機(jī)理了解不夠清晰，我們先嘗試這個(gè)體系是否有活性，再去探究它的機(jī)理。”經(jīng)過(guò)具體實(shí)驗(yàn)操作，他們發(fā)現(xiàn)測(cè)催化活性的時(shí)候存在一個(gè)誘導(dǎo)期。“誘導(dǎo)期就是在催化反應(yīng)剛開(kāi)始一段時(shí)間沒(méi)有產(chǎn)物出現(xiàn)，也就是沒(méi)有活性。” 經(jīng)過(guò)和導(dǎo)師丁勇教授進(jìn)行溝通，團(tuán)隊(duì)最終選擇改用光沉積的方式，成功消除了誘導(dǎo)期。
導(dǎo)師引路，科教協(xié)同育人
“我本身對(duì)物理化學(xué)的催化方向比較感興趣。”進(jìn)入萃英學(xué)院后，臧金諾通過(guò)學(xué)院組織的科研導(dǎo)師見(jiàn)面會(huì)認(rèn)識(shí)了從事催化方向研究的丁勇教授，正式開(kāi)啟了他的科研之路。 導(dǎo)師制是萃英學(xué)院“三制”培養(yǎng)模式中的重要一環(huán)。導(dǎo)師包括學(xué)業(yè)導(dǎo)師、科研導(dǎo)師、生活導(dǎo)師和朋輩導(dǎo)師，這些導(dǎo)師從思想、學(xué)術(shù)、專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和生活方面對(duì)學(xué)生予以全方位指導(dǎo)。其中，科研導(dǎo)師主要職責(zé)是學(xué)術(shù)引領(lǐng)和科研能力培養(yǎng)。 臧金諾和宋斌就是通過(guò)導(dǎo)師制的雙向選擇，加入丁勇教授的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科研訓(xùn)練，開(kāi)啟了科學(xué)研究的工作。蘭州大學(xué)很多像丁勇教授一樣的老師，他們?cè)敢庾尡究粕尤胝n題組中，傾心指導(dǎo)學(xué)生。 “化學(xué)是什么？化學(xué)是Chemistry，就是要不停地try。”作為化學(xué)專(zhuān)業(yè)的老師，丁勇十分重視學(xué)生的動(dòng)手操作能力。 “這兩個(gè)學(xué)生可以說(shuō)是我?guī)У乃斜究粕校钋趭^的兩個(gè)人了。”談及兩人的成長(zhǎng)，丁勇認(rèn)為與學(xué)生們的努力密不可分。“只要合理安排，不怕辛苦，總有時(shí)間能夠多走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科研訓(xùn)練。”丁勇坦言自己本身就是一個(gè)“工作狂”，平時(shí)沒(méi)事總往實(shí)驗(yàn)室里跑，但在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常能碰到臧金諾和宋斌。 “過(guò)去蘭大化學(xué)化工學(xué)院的老一輩科學(xué)家們，在冬天會(huì)去黃河里取冰塊拿回來(lái)作為冷卻循環(huán)水做實(shí)驗(yàn)。在那種困難環(huán)境中都能做出那么多成果，現(xiàn)在同學(xué)們學(xué)習(xí)和生活的條件都這么好，更應(yīng)該加倍努力”。丁勇希望同學(xué)們少講客觀困難，多做主觀努力，爭(zhēng)取更多的學(xué)習(xí)和科研機(jī)會(huì)。 “我其實(shí)不覺(jué)得自己是一個(gè)特別勤奮的人。”臧金諾說(shuō)，“在績(jī)點(diǎn)、綜測(cè)方面我都比較佛系，我只是把精力都用在了做自己喜歡的事情上。”在臧金諾眼中，科學(xué)研究是一件特別有趣的事：“我每一次做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候都很期待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，想知道究竟能不能成功，所以我每天都很有活力。” 今年暑假，臧金諾幾乎是在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)的。“當(dāng)時(shí)得知論文處于修改狀態(tài)了，我立馬就買(mǎi)票回了蘭州。”兩個(gè)月的暑假，臧金諾只回家了兩個(gè)星期，其余的時(shí)間他都在學(xué)校里一遍遍修改論文、做補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)、更正數(shù)據(jù)。 學(xué)生參觀近代物理研究所并拆解高性能計(jì)算服務(wù)器 外籍教授Louis為學(xué)生開(kāi)設(shè)英語(yǔ)沙龍 平臺(tái)托舉，倡導(dǎo)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展
在萃英學(xué)院培養(yǎng)理念與目標(biāo)板塊，有這樣一行字——“培養(yǎng)具有西部情結(jié)、家國(guó)情懷、世界胸懷，能夠勇攀世界科學(xué)高峰、引領(lǐng)人類(lèi)文明進(jìn)步的自然科學(xué)家和社會(huì)科學(xué)家和醫(yī)學(xué)科學(xué)家。” 萃英學(xué)院作為蘭州大學(xué)落實(shí)國(guó)家“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃”的學(xué)院，是拔尖學(xué)生自主學(xué)習(xí)、個(gè)性發(fā)展和創(chuàng)新培養(yǎng)的重要基地。學(xué)院通過(guò)建立遴選機(jī)制、構(gòu)建培養(yǎng)模式、實(shí)施大師引領(lǐng)，做實(shí)導(dǎo)師制，探索書(shū)院制和學(xué)分制，強(qiáng)化國(guó)際化、推進(jìn)小班化和個(gè)性化等措施，搭建了與專(zhuān)業(yè)學(xué)院高度協(xié)同的基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)體系，成為“浸潤(rùn)”“熏陶”“養(yǎng)成”“感染”“培育”一體化的育人品牌與平臺(tái)。 雖然在大一入學(xué)前就對(duì)萃英學(xué)院有所了解，“但當(dāng)時(shí)并不清楚萃英學(xué)院意味著什么，對(duì)科研的認(rèn)識(shí)也不清晰，只是覺(jué)得能進(jìn)入萃英學(xué)院的人都很優(yōu)秀。”出于對(duì)優(yōu)秀的向往，臧金諾早早就開(kāi)始準(zhǔn)備加入萃英學(xué)院的選拔。“大學(xué)學(xué)習(xí)了一個(gè)階段以后，我才發(fā)現(xiàn)科研是非常有趣的，也是實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值的一個(gè)方式。”這也更加堅(jiān)定了他加入萃英學(xué)院的決心。 萃英學(xué)院專(zhuān)門(mén)設(shè)立“萃英創(chuàng)新基金”，為學(xué)生參與科學(xué)研究、學(xué)科競(jìng)賽、學(xué)術(shù)交流提供支持。要求和支持每名學(xué)生在校期間必須至少主持一項(xiàng)科研項(xiàng)目，促進(jìn)科教深度融合。 “學(xué)院鼓勵(lì)我們積極參與科研，并為我們開(kāi)展科學(xué)研究提供了很多便利”，臧金諾說(shuō)。除了導(dǎo)師指導(dǎo)、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)和交流實(shí)踐等，還包括解決在城關(guān)校區(qū)的臨時(shí)住宿等具體問(wèn)題。 萃英學(xué)院致力于為學(xué)生提供個(gè)性化的發(fā)展空間、良好的學(xué)習(xí)氛圍和資源支持。在這里，選課不受專(zhuān)業(yè)和年級(jí)的限制，學(xué)生只要完成核心課程的學(xué)習(xí)，就可以自由修讀想學(xué)的課程。 “萃英學(xué)院給了我們一個(gè)自由發(fā)展的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，學(xué)院給我們提供了各種資源將我們托舉起來(lái)，給了我們很多科研方面的助益。”宋斌把萃英學(xué)院比作一座內(nèi)藏乾坤的大山，山里面是一個(gè)廣闊的自由天地。“我可以在‘山’里盡情遨游，不用被績(jī)點(diǎn)、綜測(cè)、保研、獎(jiǎng)學(xué)金等束縛。專(zhuān)注于科研，最終做出的科研成果也會(huì)對(duì)你的成長(zhǎng)有所助益。” “學(xué)院個(gè)性化、開(kāi)放化的培養(yǎng)理念能夠讓每一位同學(xué)都有機(jī)會(huì)發(fā)揮自己的長(zhǎng)處，挖掘出自身的最大可能。”臧金諾和宋斌認(rèn)為。“努力是必須的，但也要能在科研中找到樂(lè)趣，這樣才能堅(jiān)持下去。”在個(gè)性化培養(yǎng)方案下，興趣成為萃英學(xué)子學(xué)習(xí)與科研的驅(qū)動(dòng)力，學(xué)生們的自主性也被調(diào)動(dòng)了起來(lái)。 宋斌對(duì)此有著直觀的感受：“我有一個(gè)化學(xué)班的學(xué)長(zhǎng)對(duì)計(jì)算化學(xué)和AI深度學(xué)習(xí)很感興趣，在萃英學(xué)院，他可以跨班級(jí)、跨學(xué)科去學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容、參與相關(guān)研究。” 在宋斌看來(lái)，萃英學(xué)院給他帶來(lái)最大的收獲是對(duì)于他人生觀、世界觀和價(jià)值觀的塑造。“你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的眼界開(kāi)闊了，不止把眼光放在眼前的學(xué)業(yè)，你的眼光可以看向全國(guó)甚至整個(gè)世界。你會(huì)想要繼續(xù)到最好的平臺(tái)深造，做自己認(rèn)為最有意義的科學(xué)研究，未來(lái)做一些對(duì)人類(lèi)有貢獻(xiàn)的事情。” 在學(xué)習(xí)和科研之余，宋斌喜歡寫(xiě)詩(shī)歌和散文，“寫(xiě)作是和自己對(duì)話(huà)，在寫(xiě)作中，我可以想清楚很多事。”目前，宋斌已經(jīng)作為直博生推免至北京大學(xué)，等待著他的，是更遼闊的遠(yuǎn)方和夢(mèng)想。 談及對(duì)未來(lái)的規(guī)劃，臧金諾表示要進(jìn)一步深造，繼續(xù)從事催化方向的研究，“萃英學(xué)院的大多數(shù)學(xué)生都有著明確的學(xué)業(yè)規(guī)劃，我們都對(duì)科研懷有熱愛(ài)。”臧金諾說(shuō)。
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