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【上海教育新闻网】人工光合成技术

  稿件来源: 上海教育新闻网  |   作者:金寒草  |  摄影:上海教育新闻网  |  编辑:媒体华理组  |  访问量:1989

编者按:

“学通四海、术育英才。” 201854日,华东理工大学“通海讲堂”在奉贤校区图文信息中心通海厅正式启动。作为学校倾心打造的高端学术讲座平台,“通海讲堂”将邀请两院院士、长江学者、国家“杰青”获得者及知名教授等学术大咖,面向本科生讲述前沿性学术问题,进一步提升华理校园学术文化的“高度”和“宽度”,助力一流人才培养。为了让更多的读者感受大咖的魅力、汲取知识的力量,即日起,本网将推出“通海讲堂”系列文章,第一时间传递讲堂信息,分享讲座内容。

【华东理工大学“通海讲堂”第二十三讲】

201914日下午,华东理工大学“通海讲堂”在通海厅隆重举行。华东理工大学材料科学与工程学院杨化桂教授为学子们带来了精彩的讲座“人工光合成技术”,介绍了全球能源发展趋势与环境危机,以及世界各国在新能源开发与减排方面的出台政策,重点讲述了模拟自然界光合作用的人工光合作用——光催化分解水的基本知识和最新研究动态。

人工光合成技术

 

杨化桂,华东理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。2005年博士毕业于新加坡国立大学,20051月至20073月任职于美国通用电气,20074月至200812月在澳大利亚昆士兰大学功能纳米材料中心从事博士后研究。200812月被聘任为华东理工大学特聘教授,20111月被授予澳大利亚昆士兰大学荣誉教授(Honorary Professor)。现兼任上海硅酸盐学会理事及无机新能源材料专业委员会主任。长期以来,以太阳能的转化与存储为基础,围绕光化学能转换功能材料开展研究,取得了一系列原创性成果。迄今,共发表SCI论文178篇,SCI他引11300余次。其中,以第一/通讯作者发表的代表性工作包括Nature 1篇、Nat. Energy 1篇、Nat. Commun. 6篇、J. Am. Chem. Soc. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 6篇、Adv. Mater. 1篇等。入选或获得国家杰出青年基金、享受国务院政府特殊津贴专家、教育部“新世纪优秀人才”、上海市自然科学牡丹奖、上海市“优秀学术带头人”、上海市“东方学者”特聘教授、上海市“曙光学者”等人才项目或称号。2015-2017年,连续三年被列入爱思唯尔中国高被引学者榜单。

能源环境危机与可再生清洁能源的开发利用

化石能源在人类社会工业化进程中具有不可替代的关键性推动作用。然而,伴随着化石能源这一不可再生资源的大量消耗,在能源开发利用过程中所造成的农田破坏、大量废弃物、废热的排放等对生态环境造成了严重的污染和破坏。据统计,化石能源消费产生的二氧化碳(CO2)是全球CO2排放的主要来源。大量CO2排放到大气中,产生温室效应,导致全球变暖,全球降水量重新分配,冰川和冻土消融,海平面上升等,改变了自然系统的平衡,严重威胁到人类的生存环境。

为了摆脱对终将枯竭且对生态平衡造成巨大破坏的化石能源的依赖,世界各国都以节能减排、增加可再生清洁能源消费比例为目标,出台了能源转型计划。我国“十三五规划”中提出努力实现2030年煤炭消费量占全部能源消费量的比例从现在的64%降至33%左右,届时可再生能源年利用量提高,相当于减少二氧化碳排放量约14亿吨。

可再生清洁能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等,其中太阳能是储量最丰富的能源。因此,如果能够合理高效地开发利用太阳能资源,将可以大大缓解人类当前所面临的全球能源与环境问题。但是,太阳能的能量密度低,同时易受天气、纬度、地理位置等因素的影响,使其具有间歇性、不稳定性等特点。因此,如何转化与储存太阳能以便将其规模化利用受到全球范围内各国政府和科研工作者的高度关注。

人工光合技术——太阳能分解水制氢

自然界中的光合作用通常是指绿色植物吸收太阳光,将二氧化碳(CO2)和水(H2O)转化成富能有机物,同时释放出氧气的过程。与这一过程类似,光催化分解水制氢是将水分子中的氢在太阳光照射下转化为氢气的过程,同样是实现了光能到化学能的转化。该过程所需主要原料为水,所需能量是源源不断的太阳能,产物是氢气。众所周知,氢气具有能量密度高的特点,并且燃烧后的产物为水,对环境是零污染,是一种理想的二次能源。因此,太阳能光催化分解水制取氢气是一种非常理想的太阳能利用方式。据预测,当光化学能转换效率达到10%时,光解水制氢技术将可实现工业化应用,并能提供人类社会三分之一的能源需求。同时,随着储氢技术和氢能利用技术的不断发展,氢能将有望取代化石能源在人类生活中获得广泛应用。

高性能光催化剂材料

自然界的光合作用是一个高度集成统一的能量转换系统,兼具以下重要特征:在空间及方向上优化分布的高效捕光基团,内部高效的电荷分离-传输以及在特定区域反应位点上的高效化学转化。这些特征对于高效人工光合成体系的精确构筑具有重要的指导和借鉴作用。与自然界光合作用类似,光催化分解水包括三个基本过程,分别是光子捕集、电荷输运和表面反应。光能到化学能的转换效率是由这三个过程效率的乘积所得。而决定光化学效率的核心是光化学能转换功能催化剂,其通常由半导体捕光材料和助催化剂材料组成。因此,设计制备高效稳定的光催化剂材料,需要从捕光材料和助催化剂材料两方面着手。同时,对于光解水产氢过程机理的深入理解等也将有助于进一步设计制备出更高性能的光催化剂材料。

在以往的研究工作中,我们团队围绕光解水制氢材料的设计合成、原子尺度精确结构调控,及结构与性能之间的关系等,开展了系统的理论与实验研究,并取得了重要成果。例如,通过内嵌类发色基团、引入中间能级及表面分子自组装等手段,设计制备了多种可见光响应的半导体捕光材料;利用高活性、高指数晶面及单晶介孔结构的可控合成策略,通过选择合适的结构调节剂,制备出多种有利于提升电荷输运性能的金属氧化物半导体捕光材料;通过原子尺度精确结构调控手段,可控构筑了能有效抑制光解水逆反应并保持高反应活性的铂基产氢助催化剂材料。此外,利用面向光解水材料原位核磁共振性能评价装置,实现了在线检测真实环境下固-液界面催化的微观反应过程,制备了多类高性能光化学能转换功能材料。总而言之,光催化分解水产氢是一种理想的太阳能光化学转换方式。一旦开发出高效稳定的催化剂,水中取“火”——制氢就成为可能。



  原文来源: 上海教育新闻网  |  发表时间:2019-01-08  |  作者:金寒草
  原文链接: http://www.shedunews.com/tonghaijiangtang_23.html

发布日期:2019年01月11日08时48分
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