赖跃坤课题组

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纳米银修饰层状超薄石墨相氮化碳:解废产能两不误!

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前言

今天非常荣幸邀请到福州大学赖跃坤教授和佐治亚理工学院林志群教授团队来对他们最新发表的Advanced Materials进行分享。本文由第一作者蔡京升博士倾情打造,内容非常详实,不仅仅有对论文的解读,还有很多做课题的心得,推荐大家细细品味!在此,特别感谢福州大学赖跃坤教授和佐治亚理工学院林志群教授的大力支持,特别是赖跃坤教授和蔡京升博士。

注:本期以第一人称(蔡京升博士)对论文进行分享,没有小编的废话,大家欢呼吧!

 

 

共同第一作者:蔡京升, 黄剑莹

共同通讯作者:赖跃坤 教授,林志群 教授

通讯单位:福州大学, 佐治亚理工学院

论文DOI: 10.1002/adma.201806314


背景介绍

A. 环境恶化的严重性及绿色能源的重要性

随着工业化的迅速发展以及全球人口的急剧增加,能源需求和全球环境恶化已被视为人类面临的两个重大挑战。化学结构中大量的芳烃和广泛的共轭作用赋予现代商业染料优异的颜色稳定性。然而,其既不易自行分解,又具有致癌作用,严重地危害着人类健康,导致臭氧层破坏、造成全球变暖。作为一种只有水和氧副产物的清洁化学氧化剂,过氧化氢(H2O2)因价格低廉、环境友好而被广泛应用于纺织、造纸、食品及废水处理等诸多领域。同时,H2O2在燃料电池领域的应用也越来越受到关注。安全性高、存储运输方便以及可用作单室发电等优势使得其成为包括氢气等其他气体燃料的潜在替代品。工业上制造H2O2的方法主要包括蒽醌自氧化、醇氧化和电化学合成等,然而,这些多步骤反应过程高耗能且后续产物分离需要高成本。因此发展一种高效、环境友好、可持续的技术用来制备H2O2显得尤为重要。

B. 一石二鸟的解决策略

太阳能是取之不尽、用之不竭的环境友好型能源,近年来通过光催化技术净化环境和制备清洁能源的研究备受关注。然而,该技术的瓶颈在于传统光催化剂对太阳光不能充分利用,光催化过程中的电子空穴对快速重组导致低的催化性能,因而无法满足实际应用。

C. 光催化剂的设计思路

构建薄层结构是促进光催化活性的一种有效技术手段,相比于块状结构,电荷在薄层结构中层间迁移时阻力大大减小,光生电荷的扩散路程大大缩短,使得载流子快速迁移至表面进行反应。负载贵金属颗粒,同样可以加速表面电子的迁移速率,极大地促进光催化性能。


研究出发点

基于以上研究背景以及前期工作的积累(Small201713, 1604240, Journal of Materials Chemistry A20175, 16412, Small Methods20193, 1800184),赖跃坤教授和林志群教授团队设想能否构建具有可见光响应的薄层结构光催化剂搭载贵金属纳米颗粒,以实现利用太阳光对有机污染废液的有效治理和清洁化学能源的产生,达到一石二鸟的效果?为此,我们以石墨相氮化碳为基础,设计出了纳米银修饰的层状超薄结构的石墨相氮化碳复合催化剂,该催化剂兼具高效光催化降解有机污染废液(包括有色染料亚甲基蓝和苯系致癌物苯酚)及光诱导制备绿色化学能源H2O2双功能于一身。


自我点评及后续工作

这篇文章的接收是对该研究课题的肯定,更是我们研究工作的起点,在这个工作中,我们也留下了一些遗憾。我觉得最具挑战的是光催化剂实现解废-产能一体化的设计,这也将是今后研究的热点,设想将废弃的污水经过一步光催化处理直接得到绿色的能源,如氢、氨、烯烃等,是多么令人憧憬的美好愿望。但是受限于现有的条件,我们没能实现。当然,这其中需要克服的困难也更多,如两部分反应是否存在竞争与制约关系?如何提升一体化器件的整体效率?我们也在密切关注这一研究方向的动态,希望将来能做出更加有意义的工作。


个人心得分享

这个课题前前后后做了近两年的时间,硕二下学期开展,接收时已是博士一年级。首先,非常感谢赖跃坤教授和林志群教授对该工作的肯定,同时感谢黄剑莹老师对工作的指导,感谢孙靖宇教授对该工作的支持。通过这一课题,我也有不少心得体会:一方面,课题前期调研需要阅读大量文献、制定详实的计划、并与导师充分探讨;另一方面,课题实施过程中,需要与导师保持充分交流并及时反馈。这两方面自己起初做的并不好,这里感谢赖老师在科研、更重要的是精神上的鼓励以及生活中的照顾。与此同时,在开展课题过程中,遇到的种种困难也强大了自己的内心,最后很幸运也有了一点收获。希望大家在科研路上除了收获paper,也能收获更多的历练和成长。

最后,值新春佳节之际,祝大家“猪”事顺利,“猪”联壁合,“猪”颜鹤发,“猪”唇皓齿。

                                                                                        ——by 蔡京升


作者介绍

赖跃坤,福州大学教授/博导。是2018全球高被引科学家,德国洪堡学者,福建闽江学者和泉州桐江学者特聘教授,省六大高峰人才和苏州吴江区双创人才,教育部自然科学二等奖(第3),福建省优秀博士学位论文一等奖和苏州市优秀学术论文一等奖获得者。在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Today和Small等国际期刊(SCI)发表研究论文发表SCI论文120余篇,入选ESI热点或高引用论文20余篇。论文SCI引用6500余次,H因子46。技术成果申请PCT和中国发明专利50余项,已授权中国发明专利12项,撰写国际学术专著6章。部分研究成果被Advanced Science New 和 Wiley MaterialsViewsChina.com等期刊和学术媒体广泛报道。