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同济大学ACB:环糊精-嘧啶聚合物驱动的光催化H2O2生产

时间:2022-05-28 来源: 浏览:

同济大学ACB:环糊精-嘧啶聚合物驱动的光催化H2O2生产

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第一作者: Chengcheng Chu
通讯作者:毛舜教授
通讯单位: 同济大学 环境科学与工程学院
论文 DOI 10.1016/j.apcatb.2022.121485

图文摘要

成果简介
光催化H 2 O 2 的产生越来越引起人们对现场H 2 O 2 生产的关注。然而,目前的光催化系统仍然需要有机电子供体、氧曝气和酸性pH值来提高生产效率。 最近, 同济大学 环境科学与工程学院 毛舜教授 团队在 Applied Catalysis B: Environmental期刊上发表题为“ Photocatalytic H 2 O 2  production driven by cyclodextrin-pyrimidine polymer in a wide pH range without electron donor or oxygen aeration 的研究文章。在此研究中,作者 报道了一种由β-环糊精醛和4-氨基-6-羟基-2-巯基嘧啶构成的交联聚合物催化剂,以应对上述挑战。这种新型催化剂在纯水中的光催化H 2 O 2 生产中实现了557.2 μMg -1 ·h -1 的出色产率,并且无需电子供体或氧气曝气即可在较宽的pH范围(1-11)内保持其性能。机理研究表明,高发电性能归因于水光氧化和氧光还原的相互促进。此外,该催化剂被证明可在可见光照射下在各种水体中进行原位灭菌。所报道的聚合物光催化剂解决了光催化产生过氧化氢的一些障碍,并将促进太阳能产生过氧化氢的实际应用。

图文导读

1. 环糊精-嘧啶(CDA)的结构

Fig. 1. Synthesis process and structure characterizations of CDA300 .  (a) Two-step synthetic process of CDA300. (b, c) SEM images of ACD-AHMP and CDA300. (d) TEM image and (e-i) EDS element mapping results of CDA300.

2. CDA的光电特性

Fig. 2. (a) UV-Vis absorption spectra of CDA300. The insets show the energy gap of CDA300 that is estimated by the Tauc plot of (αhν) 2  vs. hν. The inset figure is a picture of CDA300 powder. (b) Mott-Schottky plots of CDA300 at frequencies of 0.5, 1.0, and 1.5 kHz. (c) UPS result of CDA300. (d) The estimated band structures of CDA300. (e) Transient photocurrents and (f) PL spectra of CDA and AHMP300 catalysts.

3、 光催化H2O2演化

Fig. 3. Photocatalytic H 2 O 2  evolution yields of the catalysts. (b) The absorption spectra and apparent quantum yields of CDA300. (c) Comparison of H 2 O 2  evolution yields of CDA300 prepared with different mass ratios of the precursors (ACD: AHMP). (d) 6 h photocatalytic H 2 O 2  production over CDA300. (e) Cycling test of H 2 O 2  evolution for four continuous cycles. (f) The photocatalytic H 2 O 2  production over CDA300 in different water media (tap water, lake water, river water, and secondary effluent). 

4、 反应机理

Fig. 4. (a) Effect of different atmospheres on the H 2 O 2  generation with CDA300 (0.25 g/L catalyst). (b) The O 2 -TPD capturing ability of CDA300 and AHMP300. (c) Comparison of photocatalytic H 2 O 2  generation over CDA300 in different proportions of water/acetonitrile mixture in open air (0.25 g/L catalyst). (d) The pH evolution and corresponding H 2 O 2  yield of the CDA300 system at initial pH of 5.76. (e) Photocatalytic H 2 O 2  evolution over CDA300 in pure water at different pH in open air (0.25 g/L catalyst). (f) The pH changes at different initial pH before and after photo irradiation for 60 min.

Fig. 5. (a) Two possible binding sites of *OOH intermediate in CDA300. (b) Calculated free energy diagrams of oxygen reduction pathway towards H 2 O 2  production on different active sites in CDA300. (c) Schematic diagram of oxygen reduction to H 2 O 2  on C1 cite of CDA300.

Fig. 6. (a) Quenching experiments on photocatalytic H 2 O 2  production over CDA300 with p-BQ (1 mM), EDTA-2Na (1 mM), and TBA (1 mM). Reaction conditions: 0.25 g/L of catalysts, natural pH without adjustment, open air condition, visible light irradiation (λ ≥ 420 nm). (b) LSV curves of CDA300 measured on RDE at different rotating speeds (O 2 -saturated 0.1 M Na 2 SO 4  solution). Inset: the corresponding Koutecky-Levich plots. (c) RRDE i-t curves of CDA300 in dark and visible light at a rotating speed of 1600 rpm in Ar-saturated 0.1 M Na 2 SO 4  solution. (d) Schematic diagram of the reaction pathway of photocatalytic H 2 O 2  production with CDA300.

小结
本研究通过ACD-AHMP交联产物的热缩合合成了一种新型无金属聚合物催化剂,该催化剂无需曝气和牺牲剂即可通过光催化从水中高效生成H 2 O 2 。在CDA300的框架中加入环糊精增强了氧吸附能力。由于宽的光吸收范围和适当的能带结构,所报道的光催化剂通过双通道途径(双电子ORR和双电子WOR)实现了优异的光催化H 2 O 2 生成性能。由于WOR过程中会产生大量的H + ,该催化体系表现出极好的pH适应性,即使在碱性条件下也能产生H 2 O 2 。该催化剂还表现出优异的稳定性,可应用于各种水体中的光催化H 2 O 2 生成。这项工作为生成H 2 O 2 的有机聚合物光催化剂提供了新的见解,并有助于开发用于水修复和能量转换的新型催化剂。

文献信息:

Chengcheng Chu , et al.  Photocatalytic H 2 O 2  production driven by cyclodextrin-pyrimidine polymer in a wide pH range without electron donor or oxygen aerat ion,   Applied Catalysis B: Environmental , 2022
论文DOI: 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121485

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