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功能纳米与软物质研究院张晓宏教授、何乐教授及其合作者在Nature Energy上发表论文

近日,我校功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)张晓宏教授、何乐教授与多伦多大学的Geoffrey A. Ozin教授合作的研究成果“Ethylene production via photocatalytic dehydrogenation of ethane using LaMn1-xCuxO3”在《自然·能源》(Nature Energy)上发表。 

乙烯是化工行业中使用最广泛的化学品之一,它构成了很多日常用品的基本成分。乙烯的传统生产方法主要是通过化石燃料驱动的乙烷蒸汽裂解进行,这种方法不仅能耗高,而且碳排放量大。为解决这一问题,研究者们发展了氧化脱氢技术。这种技术具有良好的热力学和抗焦化性能,但与此同时,乙烷会过度氧化为一氧化碳和二氧化碳,抑制了乙烯的选择性。非氧化脱氢提供了另一种方案,它能够一步生成乙烯和氢气,避免了对化石燃料原料的依赖以及传统蒸汽裂解中产生的碳足迹,但这一过程所需温度很高(550-700°C),且耗能巨大。 

针对以上挑战,利用太阳能驱动乙烷转化为乙烯的新方法应运而生。这种方法不仅副产物只有氢气,并且可以在常温条件下运行,为乙烯的生产提供了可再生且环保的途径。张晓宏教授、何乐教授与Geoffrey A. Ozin教授合作开发了一种铜掺杂钙钛矿(LaMn1-xCuxO3)催化剂,并证明了这种催化剂在光催化非氧化反应中的卓越性能,能够高选择性地将乙烷转化为乙烯。该钙钛矿氧化物中的Mn(III) 和Mn(IV)以及O(-II)和 OH(-I) 可形成表面受限路易斯酸碱对(SFLPs),在光催化乙烷脱氢中起到了关键性作用。通过调控这些位点的相对比例,能够显著优化乙烷脱氢的活性及选择性,仅依靠光照且无外部加热条件下,乙烯的最高生成速率和转化率分别达到约1.1 mmol g-1h-1和4.9%。简单的户外测试进一步证实了光催化太阳能制乙烯的可行性。 

此外,研究团队还进行了经济效益分析,结果显示,利用LED提供24小时全天候的光照,能够克服太阳光照间歇性和光强度波动的问题,从而在工业规模上实现经济潜力,为传统的基于化石燃料的乙烯生产路线提供了经济可行、节能、低碳的替代方案。


文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-024-01541-7

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