摘要
The co-production of hydrogen and value-added biochemicals from lignocellulose utilizing solar energy has been regarded as one of the technologies most potentially able to alleviate the current energy crisis.Here,we demonstrate a cost-effective photoreforming strategy for lignocellulose valorization using a carbon nitride-supported platinum single-atom photocatalyst.An advanced H_(2) evolution rate of 6.34 mmol molPt^(-1) h^(-1) is achieved over the optimal catalyst,which is around 4.6 and 30.5 times higher compared with the nanosized Pt counterpart and pristine carbon nitride,respectively.Meanwhile,the monosaccharides are oxidized to value-added lactic acid with>99%conversion and extraordinary selectivity up to 97%.The theoretical calculations show that with Pt incorporation,the photogenerated holes are predominantly localized on the metal sites while the photogenerated electrons are concentrated on C_(3)N_(4),thus enhancing the effective separation of charge carriers.This work provides a promising avenue for the simultaneous production of green H2 and bio-based chemicals by biomass photorefinery.
随着全球能源与环境问题的日益严峻,发展可持续绿色能源已成为当今社会研究热点.作为地球上最丰富的生物质资源,木质纤维素因含氢值高且廉价而备受关注.通过利用可再生太阳能光催化重整木质纤维素联产氢气和生物基化学品,可以实现低成本生物质向高品位清洁能源和高附加值化学品的高效转化,该技术具有反应条件温和、无二次污染等优势,为缓解能源危机和全球变暖提供了有效策略.近年来,虽已开发出若干用于木质纤维素光重整的范例,但现有技术仍面临转化效率和选择性低、经济性较差等问题,高效双功能生物炼制体系的构建仍处于探索阶段.在催化材料方面,单原子催化剂凭借近乎100%的金属原子利用率,在多种催化反应中展现出优异的催化活性和选择性.同时,氮化碳(C_(3)N_(4))材料因其约60 wt%的高氮含量,能够提供大量未配位孤对电子位点,具有优异的金属锚定能力,是单原子催化剂的理想载体.本文以三聚氰胺、三聚氰酸为原料,通过分子间作用力自组装制备超分子前驱体,经600℃煅烧得到层状氮化碳载体,以氯铂酸为铂源,采用两步煅烧法制备超高性能的负载单原子铂的氮化碳光催化剂(Pt-C3N4),用于木质纤维素的光重整催化.通过对催化剂物相结构、表面价键、光吸收性能及光电性能测定,发现Pt原子的引入可以增强光生载流子的分离和迁移,从而提高光催化的效果.将制得的催化剂用于包括纤维素、半纤维素和木质素在内的木质纤维素光催化重整的反应体系中,并系统考察了反应条件对光重整葡萄糖产氢速率的影响.结果表明,在427 nm LED光源照射下,金属负载量为0.35wt%时催化剂([Pt_(0.35)]_(1)-C_(3)N_(4))的产氢效果最佳,H_(2)产率达到6.34 mmol molPt^(-1)h^(-1),相较于纳米尺寸的PtNP-C3N4和纯氮化碳,分别提高了约4.6倍和30.5倍,有效地提高了贵金属在光重整体系中的利用率.采用高效液相色谱对葡萄糖、果糖和木糖的液相产物收集并分析,计算得出乳酸的选择性分别为82%,93%和97%.经过5次的循环反应,催化剂的结构和催化活性均未发生明显改变,展现出了优异的循环稳定性.理论计算结果表明,单原子Pt的引入使最高占据轨道定位在Pt原子上,而最低未占据轨道仍分布在C_(3)N_(4)材料上,从而促进了电荷分离.综上,本研究为通过生物质光炼制实现氢气和生物基化学品的可持续生产提供了一种有前景的策略.
作者
Eryu Wang
Yi-Chun Chu
Wenjun Zhang
Yanping Wei
Chuanling Si
Regina Palkovits
Xin-Ping Wu
Zupeng Chen
王尔玉;褚艺淳;张文君;魏彦平;司传领;Regina Palkovits;吴新平;陈祖鹏(南京林业大学,江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏南京210037;华东理工大学,绿色化学工程与工业催化国家重点实验室,上海200237;甘肃农业大学理学院,甘肃兰州730070;天津科技大学,生物基纤维材料全国重点实验室,天津市制浆造纸重点实验室,天津300457;亚琛工业大学,高分子与技术化学研究所,德国亚琛;可持续氢能经济研究所,德国于利希;马普化学能源转换研究所,德国米尔海姆)
基金
国家重点研发计划(2023YFD2200505)
国家自然科学基金(22202105)
江苏省高校自然科学研究项目(21KJA150003)
江苏省创新创业团队项目(JSSCTD202345).
