化工学院李伟副教授课题组在《Nature Communications》上发表最新研究成果

近日，我校化学与化工学院李伟副教授课题组在有机-无机复合光催化薄膜制备和平板式分解水制氢方面取得重要进展，相关研究成果以“0.68% of solar-to-hydrogen efficiency and super-high photostability: Panel H₂O-to-H₂ conversion based on a novel organic-inorganic membrane catalyst”为题发表在Nature子刊《Nature Communications》（自然指数期刊，综合性1区TOP期刊），我校为第一通讯单位，化学与化工学院李伟副教授为第一作者和通讯作者，环境科学与工程学院（碳中和科学与技术学院）王传义教授为共同通讯作者，课题组段汶硕士为第一实验完成人。国家自然科学基金（22376131）提供经费支持。该研究受到日本知名学者Domen教授的技术点评，并得到了中国科学院赵进才院士的鼎力支持。该研究的发表极大地推进了我校在相关学科领域的影响力。

近年来，太阳能驱动的光催化技术被视为是解决环境污染和能源短缺问题的前瞻性策略。其中，太阳能驱动的平板H₂O-to-H₂ (HTH)转化是一项将太阳能转换成增值化学能的新型生产技术。然而，由于平板反应器中流体和气泡的机械剪切力影响，绝大多数的常归颗粒光催化剂在平板反应器中难以维持稳定的光催化性能，而且单一的光驱动催化机制对于获得更高的催化性能显然存在很大的局限性，不利于该项技术的实际应用推广。本课题组在研究中发现，构建稳定的光催化薄膜可以有效解决颗粒光催化剂存在的上述不足，能够实现多场驱动下的激子分离，获得更为高效和持久稳定的催化性能表现。

本研究首先制备了一种具有快速激子转移动力学（CdS-to-Pt）的高活性CdS@SiO₂-Pt光催化剂，将其与有机铁电PVDF复配，采用高分子的加工方法将其制备成有机-无机复合薄膜。研究表明，该复合光催化薄膜因其协同的有机-无机界面电子相互作用，显示出超高的耐光性和优异的分离回收性能，极大地克服了无机颗粒催化剂在实际应用中存在的不足，且在碱性条件下可以进行高效的模拟太阳光驱HTH转化，其转化速率为213.48 mmol∙m^-2∙h^-1，STH（solar-to-hydrogen）转化效率达到了0.68%。尤为重要的是，该光催化薄膜被重复使用50次后（工作时长达300 h），其形态和微观结构没有明显变化，仍保持稳定的活性表现。

基于该薄膜光催化材料，本课题组自行组建了可进行室内和室外作业的平板式光催化反应系统，取得了初步的研究进展。该研究为平板光催化制氢技术的实际应用提供了新思路。

CdS@SiO₂-Pt光催化剂和有机-无机光催化薄膜的制备与表征；平板制氢反应系统的调试现场照片

文章信息：

W. Li*, W. Duan, G. Liao, F. Gao, Y. Wang, R. Cui, J. Zhao, C. Wang*. 0.68% of solar-to-hydrogen efficiency and high photostability of organic-inorganic membrane catalyst. Nat. Commun. 2024, 15, 6763. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51183-2

新闻小贴士：

李伟，副教授，硕士生导师。主持国家自然科学基金-面上项目/青年项目2项，校级博士启动项目1项，成果转化1项。主要从事微纳催化材料的结构设计与制备、光催化水体污染物的净化处理及高值转化、光催化制氢技术的开发等相关研究。相关研究成果发表在Nat. Commun.; Appl. Catal. B-Environ.; Small; J. Catal.; Chem. Eng. J.; J. Mater. Chem. A; Solar RRL; Renew. Energy; Environ. Sci.: Nano; ACS Sustainable Chem. Eng.等国际权威刊物60余篇，参编外文学术专著1部，ESI高被引论文3篇，总被引频次2500余次，H指数29 (Scopus)，授权发明专利5件。入选2023年度全球前2%TOP科学家榜单（美国斯坦福大学发布），《Frontiers In Catalysis》杂志评审编委，云南省、江西省、黑龙江省科技厅专家库评委，全国研究生教育评估监测专家库专家，第四届石墨烯、氮化碳等光催化材料国际学术研讨会组委会成员，受邀担任Adv. Mater.; Adv. Energy Mater.; Adv. Function. Mater.; Appl. Catal. B-Environ.; Small; J. Hazard. Mater.; ChemSusChem; Chem. Commun.; J. Clean. Prod.; Appl. Surf. Sci; Renew. Energy等刊物审稿人。

（核稿：黄文欢 编辑：郭乃力）