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济南大学周伟家教授团队ACB：缺陷氧化钛锚定Pt单原子层团簇用于高效的红外光热降解塑料产氢

时间：2023-08-25 来源：浏览：

济南大学周伟家教授团队ACB：缺陷氧化钛锚定Pt单原子层团簇用于高效的红外光热降解塑料产氢

姜迪环境人Environmentor

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第一作者：姜迪（济南大学）

通讯作者：刘晓燕（济南大学）、赵莉莉（济南大学）、周伟家（济南大学）

论文 DOI ： 10.1016/j.apcatb.2023.123081

图文摘要

成果简介

近日，来自济南大学的周伟家教授团队，在国际知名期刊 Applied Catalysis B: Environmental 上发表题为 “Defect-anchored Single-Atom-Layer Pt Clusters on TiO _2-x /Ti for Efficient Hydrogen Evolution via Photothermal Reforming Plastics” 的研究工作。该研究工作提出激光烧蚀制备缺陷氧化钛的方法，并利用缺陷位置限域效应成功锚定 Pt 单原子层团簇。在红外光区照射的液体环境下， Pt/TiO _2-x /Ti 具有优异的光热降解塑料产氢性能，是紫外区催化性能的 17.2 倍。通过实验和理论模拟，研究了光热重整塑料析氢过程中的反应路径和催化活性位点。此外，在真实的太阳光条件下，该体系也具有优异的降解塑料产氢性能和稳定性，证明了该体系具有实际应用的潜力。

全文速览

近年来塑料污染的不断加剧使得地球生态环境面临危机，废塑料的回收再利用可缓解环境压力、变废为宝。光催化重整塑料是一种有效的方法，将塑料作为空穴牺牲剂降解为有机小分子。但是大多数半导体光催化剂具有较宽的禁带宽度，导致红外光区热量多以热消耗的方式散发。因此，充分利用太阳光红外光区域能量一直是一个重要的问题。基于以上挑战，本工作提出激光烧蚀制备缺陷 TiO _2-x /Ti 的方法，并利用缺陷位置的限域效应成功锚定 Pt 单原子层团簇（ Pt/TiO _2-x /Ti ），使用该催化剂实现了优异的红外光热降解塑料产氢性能（ 273.12 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ），是紫外光区催化性能（ 15.87 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ）的 17.2 倍。

图文导读

要点一、缺陷限域锚定 Pt 单原子层团簇

图 1. 催化剂合成策略

利用 1064 nm 光纤激光超快微纳加工技术，在钛片上成功原位构建氧缺陷（ TiO _2-x /Ti ）以增强光吸收，提高太阳光利用效率；同时缺陷氧化钛可作为稳定分散单原子的载体。通过 HR-TEM 和 HAADF-STEM 证实 Pt 单原子层团簇（ SAL-Pt ）成功锚定在缺陷二氧化钛纳米颗粒上。

要点二、金属 - 载体强相互作用

图 2. 解析 Ti 和 Pt 单原子的配位形式

通过 XPS 和 XFAS 表征，详细解析了 Ti 和 Pt 的几何构型和配位环境， TiO _2-x 中的缺陷有效地锚定了 Pt 。 Pt 与 TiO _2-x /Ti 之间存在电荷转移，并通过 Pt-O 成键增强与基底 TiO _2-x /Ti 之间的相互作用。

要点三、红外光热驱动降解塑料产氢性能

图 3. 评估 Pt/TiO _2-x /Ti 的光热转换性能

缺陷的引入增强了催化剂在可见光区和红外光区的光吸收，并且 Pt/TiO _2-x /Ti 红外光热转换性能优异，在 30 s 内可以达到 311.7 ℃ 。由于缺陷 TiO _2-x 与 Pt 等离子共振的协同作用，使得其在红外光下具有增强的光电流响应。

图 4. 红外光驱动光热降解塑料产氢性能

催化剂 Pt/TiO _2-x /Ti 的红外光驱动光热降解塑料产氢性能优异（ 273.12 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ），是紫外区催化性能（ 15.87 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ) 的 17.2 倍。催化剂产生的空穴被塑料底物消耗，通过核磁共振验证 PLA 塑料重整为丙酮酸钠、 CO 、 CH ₄ 、 CO ₂ 等小分子，抑制载流子复合确保光催化剂稳定。通过 KPFM 和 FDTD 模拟证实红外光驱动缺陷氧化钛产生高能热电子，进一步转移到 Pt 单原子层团簇上进行分解水产氢。

要点四：太阳光下光热降解塑料产氢可行性

图 5. 真实太阳光重整塑料产氢实用性探究

利用 1064 nm 光纤激光器构建大尺寸 Pt/TiO _2-x /Ti 催化剂，其在自然太阳光条件下也具有优异降解塑料产氢性能，连续一周测试中性能优异（ 25.5 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ），验证了该体系的实际应用价值。

小结

本工作采用激光烧蚀制备的缺陷氧化钛作为单原子载体，通过 XPS 和 XAFS 证实了缺陷位置限域效应成功锚定 Pt 单原子团簇（ Pt/TiO _2-x /Ti ）。

在红外光区， Pt/TiO _2-x /Ti 具有优异的光热降解塑料产氢（ 273.12 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ） , 是紫外区催化性能（ 15.87 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ）的 17.2 倍。

研究了光热重整塑料析氢过程中的反应路径和催化活性位点。通过核磁共振表征验证塑料被重整为丙酮酸钠、 CO 、 CH ₄ 、 CO ₂ 等小分子，通过 KPFM 和 FDTD 模拟证实红外光驱动氧化钛产生高能热电子，转移到 Pt 上进行分解水产氢。

在真实的太阳光下，该体系通过光热催化将塑料重整为 H ₂ ，表现出了良好的性能（ 25.5 μmol cm ⁻ ² h ⁻ ¹ ）和稳定性（连续一周），证明了该体系具有实际应用的潜力。

本研究为拓展半导体光催化剂光响应范围从紫外到可见红外光区提供了一种新的思路，为单原子的构建提供了一种简单的方案，为红外光降解塑提供了一种方法与途径，并且该研究有望推进实用化进程。

作者简介

姜迪博士生： 济南大学前沿交叉科学研究院 2019 级硕士研究生，中国科学院上海硅酸盐研究所 2023 级博士研究生。主要研究方向为新型纳米材料的设计合成及其在能源催化、纳米催化医学相关应用。以第一或共同第一作者在 Nano Energy 、 Applied Catalysis B: Environmental 期刊发表 SCI 论文 3 篇，申请发明专利 2 项。

周伟家教授： 济南大学前沿交叉科学研究院副院长，博士生导师，学术带头人。主要从事能源催化和功能器件相关研究，在氢能源、二氧化碳资源化和催化电池等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在 Energy Environ. Sci, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mat. 等期刊发表 SCI 收录论文 100 余篇，被他引 15000 余次， H 因子 60 ，中国百篇最具影响力国际学术论文 1 篇， ESI 高被引用论文 11 篇；中国化学快报、物理化学学报、 BMEmat 、 SusMat 期刊的青年编委、交叉学科材料学术编辑和 ECS Sensors Plus 顾问编；授权发明专利 16 项。主持国家优秀青年基金（ 2020 ），山东省杰出青年基金（ 2021 ），山东省泰山学者青年专家计划（ 2019 ），山东省重点研发计划（ 2019 ）等国家省部级项目 12 项。获得山东省青年科技奖（ 2022 ）、山东省自然科学一等奖（ 3/5 ， 2019 ）和中国颗粒学会自然科学二等奖（ 1/5 ， 2022 ）。

Email: ifc_zhouwj@ujn.edu.cn

网页： https://publons.com/researcher/1640871/weijia-zhou/

刘晓燕副教授： 济南大学前沿交叉科学研究院副教授，硕士生导师。主要从事微纳加工技术在新型能源以及生物诊疗技术方面的应用研究。主持山东省自然科学基金 1 项，作为子项目负责人主持广东省应用研发专项 2 项、山东省自然科学基金联合基金 1 项，作为项目骨干参与国家重点研发计划 1 项。在 Small 、 Chemical Engineering Journal 等期刊发表 SCI 论文近 20 篇。申请发明专利 50 余件，其中授权 30 余件，在微纳加工技术、器件开发及应用方面积累了丰富的经验。

赵莉莉副教授 ：济南大学前沿交叉科学研究院副教授，硕士生导师。所研究课题主要集中在光催化和电催化基础研究以及新能源的转换与利用、压电材料研究等。主持国家自然科学基金 1 项、山东省优秀青年基金 1 项以及山东省自然科学基金 1 项。以第一作者或通讯作者在 Nano Energy 、 Applied Catalysis B: Environmental 、 Nano-Micro Letters 、 Nanoscale 、 Sci. Adv. Mater. Solar RRL 、 Chemical Engineering Journal 、 RSC Adv. 等期刊发表 SCI 论文 20 余篇， ESI 高被引用论文 1 篇。申请发明专利 5 项。

参考文献： Defect-anchored Single-Atom-Layer Pt Clusters on TiO _2-x /Ti for Efficient Hydrogen Evolution via Photothermal Reforming Plastics.

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123081

课题组介绍

前沿交叉科学研究院： 济南大学为了适应科研和教育的快速发展，推进国务院提出的世界一流大学和一流学科建设，于 2016 年投资筹建的具有鲜明学科交叉特色、适应国际前沿交叉科学研究趋势的独立研究机构。前沿交叉科学研究院将以学科交叉与学科融合为研究特色，以新型医药和现代能源核心技术为研发目标，在生物传感与再生医学、可再生能源转化高效利用和信息材料等相关领域开展基础和应用基础研究。以重大原始创新为驱动，以微纳传感、生命组织重建及纳米能源材料等重大核心技术突破及其在癌症早期诊断、组织修复、环境保护和新能源等领域的应用为牵引，带动和促进相关技术的转移转化与产业化，成为原始创新基地和高水平创新人才培养摇篮承担国家重大科研项目。研究院根据学科布局和研究目标，目前设立微纳传感与组织工程、微纳能源材料与器件、信息材料与器件等研究方向，并将设立微纳材料制备、微纳材料表征、环境与生物等研究平台，并将成立相关省级研究平台支撑交叉学科的建设。

研究院以刘宏教授为首席科学家，借助 “ 山东泰山学者 ” 、 “ 济南大学龙山学者 ” 等主要人才计划支持，吸引和凝聚海内外一流的创新人才，建设一支高水平富有活力的国际化创新团队。学院通过在全球范围内广招贤士，汇聚不同专业的研究人才，在较短时间内建成具有国际影响的研究基地，形成了骨干成员 20 余名的高水平的交叉学科研究团队，团队成员的专业构成有材料学、化学、化工、能源、生物、物理微电子等，其中国家杰青、国家优青、泰山学者、广东省杰青、山东省优青等青年人才 10 余名。研究院已经建成了包括场发射扫描显微镜、 XRD 、共聚焦扫描显微镜、拉曼光谱仪等测试表征设备和各种沉积设备、材料制备设备及微加工设备等在内的高水平研究测试平台。

新能源材料与传感器件团队简介： 依托于济南大学前沿交叉科学研究院和 “ 生物诊疗技术与装备协同创新中心 ” ，组建 “ 新能源材料与传感器件 ” 研发团队，由教授 3 人、副教授 2 人，讲师 4 人，博士后 1 人，博士生 6 人，硕士生 23 人组成。团队利用微纳加工、激光合成和电化学三大技术，在能源与传感两大方向开展应用基础研究。能源方向专注于氢能源、碳循环和氮循环，利用激光等物理信号调制的催化反应和器件系统在新能源和环境领域的相关研究；传感方向专注于电化学和荧光结合微流控技术，通过材料设计与芯片构建，进行细菌和生物分子等快速高通量检测研究。

课题组招聘

招聘类别：

教授、副教授、讲师、博后（师资）

研究方向：

液流电池、燃料电池、激光物理和激光加工，具有器件与系统设计构建经验的优先考虑。

申请人要求：

1. 具有团队精神和上进心；

2. 具有物理、电化学或者材料背景应届或者往届博士毕业生；

3. 近五年发表至少 5 篇第一或者通讯作者论文。

应聘材料：

有意者将个人简历（学习、工作经历、研究成果和获奖情况等详细材料）发至邮箱： ifc_zhouwj@ujn.edu.cn （周老师）

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