2022年，華南理工大學(xué)4篇Science、Nature！
2022-12-09 13:31:28
作者：材料基 來源：材料基
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基于鉑族金屬的催化劑幾十年來一直是化工行業(yè)的主要焦點。好的催化劑以中等強(qiáng)度結(jié)合底物，因此反應(yīng)物結(jié)合和產(chǎn)物解吸都不會限制反應(yīng)。鉑族金屬通常在許多反應(yīng)中都符合這一標(biāo)準(zhǔn)，不能被鐵等更便宜的金屬所取代，因為鐵在反應(yīng)條件下通常會氧化。2022年11月24日，萊斯大學(xué)Naomi J. Halas，Peter Nordlander，Hossein Robatjazi及普林斯頓大學(xué)Emily A. Carter共同通訊（第一作者為萊斯大學(xué)Yigao Yuan與華南理工大學(xué)周禮楠）在Science在線發(fā)表題為”Earth-abundant photocatalyst for H2 generation from NH3 with light-emitting diode illumination“的研究論文，該研究演示了用銅鐵光催化劑進(jìn)行氨分解來釋放氫，銅中的等離子體激元產(chǎn)生熱電子，與與鐵結(jié)合的氨發(fā)生反應(yīng)。鐵不是該反應(yīng)的良好熱催化劑，但光誘導(dǎo)氧解吸使其與類似的銅釕光催化劑和釕熱催化劑競爭。Cu-Fe天線反應(yīng)器中的Fe活性位點在超快脈沖照明下的氨光催化分解效率與Ru非常相似。當(dāng)用發(fā)光二極管而不是激光照射時，光催化效率保持相當(dāng)，即使反應(yīng)規(guī)模增加了近三個數(shù)量級。這一結(jié)果證明了從氨氣載體與地球上豐富的過渡金屬高效用電驅(qū)動生產(chǎn)氫的潛力。另外，2022年11月9日，華南理工大學(xué)顧成團(tuán)隊與日本京都大學(xué)Susumu Kitagawa團(tuán)隊合作在Nature雜志在線發(fā)表題為“Separating water isotopologues using diffusion-regulatory porous materials”的研究論文，該研究報道了通過構(gòu)建兩個多孔配位聚合物——多孔配位聚合物(PCPs)或金屬有機(jī)框架(metal–organic frameworks, MOFs)的動態(tài)特性，在室溫下高效分離水同位素的方法，其中框架內(nèi)的觸發(fā)器分子運動提供了擴(kuò)散調(diào)節(jié)功能。來賓流量受收縮孔隙孔上動態(tài)門的局部運動調(diào)節(jié)，從而放大了水同位素擴(kuò)散速率的微小差異。兩種PCPs均發(fā)生顯著的溫度響應(yīng)吸附：H2O蒸汽優(yōu)先被吸附到PCPs中，與D2O蒸汽相比吸收量大幅增加，促進(jìn)了基于動力學(xué)的H2O/HDO/D2O三元混合物的蒸汽分離，在室溫下水分離系數(shù)高達(dá)210左右。2022年9月7日，華南理工大學(xué)黃飛教授、曹鏞院士、馬於光院士和北京大學(xué)裴堅教授、南方科技大學(xué)郭旭崗教授等合作在Nature 在線發(fā)表題為“A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity”的研究論文，該研究提出了一種容易合成的高導(dǎo)電 n 型聚合物（聚苯二呋喃二酮）(PBFDO)。該反應(yīng)結(jié)合了氧化聚合和原位還原 n 摻雜，顯著提高了摻雜效率，并且每個重復(fù)單元可以實現(xiàn)幾乎 0.9 個電荷的摻雜水平。所得聚合物表現(xiàn)出超過 2000 S cm−1的突破性電導(dǎo)率，具有出色的穩(wěn)定性和出乎意料的溶液加工性，無需額外的側(cè)鏈或表面活性劑。此外，對 PBFDO 的詳細(xì)研究揭示了相干電荷傳輸特性和金屬態(tài)的存在。進(jìn)一步證明了電化學(xué)晶體管和熱電發(fā)電機(jī)的基準(zhǔn)性能，從而為n型CP在有機(jī)電子學(xué)中的應(yīng)用鋪平了道路。2022年7月28日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所鄭銘及美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所/華南理工大學(xué)林志偉共同通訊在Science 在線發(fā)表題為“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”的研究論文，該研究報告了一種使用 DNA 導(dǎo)向的鳥嘌呤 (G) 特異性交聯(lián)化學(xué)的解決方案。 通過 DNA 篩選，該研究確定了一個序列 C3GC7GC3，其與 (8,3) 對映異構(gòu)體的反應(yīng)產(chǎn)生最小的無序誘導(dǎo)的拉曼模式強(qiáng)度和光致發(fā)光斯托克斯位移，表明形成了有序的缺陷陣列。 單粒子冷凍電子顯微鏡顯示，功能化的 C3GC7GC3 (8,3) 具有 6.5 埃周期性的有序螺旋結(jié)構(gòu)。反應(yīng)機(jī)理分析表明，螺旋周期是由一系列 G 修飾的碳 - 碳鍵沿扶手椅螺旋線分開固定距離產(chǎn)生的。總之，該研究結(jié)果可用于重塑納米管晶格以獲得新的電子特性。金屬納米粒子(NPs)中被光激發(fā)的表面等離子激元可以產(chǎn)生強(qiáng)光熱和非平衡的高激發(fā)電子或空穴[熱載流子(hc)]，它們可以與吸附的分子發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而提供一種將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的有效途徑。金屬NPs可以直接光催化許多反應(yīng)，包括Au上的H2解離反應(yīng)，Ag上的O2解離反應(yīng)，Cu上的丙烯氧化反應(yīng)。然而，盡管NPs具有很強(qiáng)的光耦合特性，但僅由這些金屬組成的NPs并不能提供吸附物結(jié)合的活性位點，這最終限制了它們的催化性能。天線-電抗器（Antenna-reactor，AR)絡(luò)合物已經(jīng)被開發(fā)出來，通常由等離子子NP(天線)組成，用反應(yīng)堆粒子裝飾，如島、簇或鉑族金屬(PGMs)的單原子。例如，Cu-Ru AR配合物(Cu-Ru-AR)可以有效地光催化氨分解。根據(jù)Sabatier原理，Ru是該反應(yīng)的理想結(jié)合位點，因為它結(jié)合氮中間種的強(qiáng)度既不太強(qiáng)也不太弱。Cu-Ru- AR的Ru反應(yīng)器分散在Cu天線上，產(chǎn)生hc，通過激活Ru- n鍵增強(qiáng)光催化劑的反應(yīng)性并降低反應(yīng)障礙。
電氣化光催化氨分解生產(chǎn)克級氫氣（圖源自Science ）
盡管采用PGM反應(yīng)器大大提高了光催化性能，但它們的稀缺性和成本促使人們努力用地球上儲量更豐富的過渡金屬來取代它們，特別是在工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)中，如氨分解。然而，在熱驅(qū)動下，像Fe這樣的金屬在這個反應(yīng)中的反應(yīng)性遠(yuǎn)不如Ru，因為Fe-N鍵非常強(qiáng)，以至于產(chǎn)物不能解吸。該研究演示了用銅鐵光催化劑進(jìn)行氨分解來釋放氫，銅中的等離子體激元產(chǎn)生熱電子，與與鐵結(jié)合的氨發(fā)生反應(yīng)。鐵不是該反應(yīng)的良好熱催化劑，但光誘導(dǎo)氧解吸使其與類似的銅釕光催化劑和釕熱催化劑競爭。Cu-Fe天線反應(yīng)器中的Fe活性位點在超快脈沖照明下的氨光催化分解效率與Ru非常相似。當(dāng)用發(fā)光二極管而不是激光照射時，光催化效率保持相當(dāng)，即使反應(yīng)規(guī)模增加了近三個數(shù)量級。這一結(jié)果證明了從氨氣載體與地球上豐富的過渡金屬高效用電驅(qū)動生產(chǎn)氫的潛力。
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