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我校教师团队在液相等离子体合成领域取得系列研究进展

2024年08月30日

近日，我校物理学院张昕彤教授团队在液相等离子体合成领域取得系列研究进展。等离子体合成是指在气体或液体中通过高电压产生等离子体状态，从而实现分子激发和化学反应的过程。随着全球低碳目标地不断推进，等离子体放电驱动的催化技术引起了研究者们越来越多的关注。与光催化和弱电驱动催化等其它清洁技术相比，高压等离子体放电能够更有效地激发惰性小分子，显著降低反应势垒，从而数量级提升惰性小分子的转化速率。然而，等离子体激发活化小分子的反应路径复杂多变，如何诱导活性物种进行定向反应仍然面临挑战。针对这一问题，张昕彤教授团队发展了新型的液相等离子体催化技术：利用半导体催化剂在液相中的良好分散性，扩大了等离子体与催化剂的作用区域；借助半导体催化剂的介电特性，增强了等离子体放电的效果；通过对半导体催化剂进行表面工程调制，成功优化了活性物种的反应路径。该技术在过氧化氢的清洁合成、固氮及单原子催化剂制备等方向取得了重要进展，为清洁能源驱动的小分子低碳、高效转化提供了新思路。相关研究成果相继发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)和《化学通讯》(Chemical Communications)等国际知名期刊上。

过氧化氢（H₂O₂）是一种清洁化学品，广泛应用于造纸、消毒、环保、化工、电子和军工等领域。目前，95%的过氧化氢生产仍依赖于蒽醌工艺，即每生产100万吨H₂O₂会排放300万吨CO₂；于是寻求替代工艺、降低过氧化氢生产过程的碳排放仍是备受瞩目的前沿问题。为此，该团队提出了一种以清洁电能驱动的液相等离子体催化合成H₂O₂的策略。首先对40种常见的半导体催化剂进行实验筛选，发现氮化碳材料在液相等离子体中表现出最佳的催化合成H₂O₂活性；进一步对68个氮化碳模型的高通量密度泛函进行计算，并使用29个描述符建立机器学习模型，优化得到了氰基表面修饰的氮化碳为最佳催化剂构型；最终，液相等离子体催化合成H₂O₂的累积浓度达到了20 mmol L⁻¹，比目前报道的氮化碳光催化水平高出两个数量级。机理分析表明，该液相等离子体催化体系能够诱导氧分子激发为单线态氧，从而显著提升H₂O₂的产率，这为H₂O₂的合成提供了一种既高效又可持续的新视角。该成果以“Sustainable H2O2 Production via Solution Plasma Catalysis” 为题，自由投稿发表于国际著名期刊PNAS；论文的第一作者为物理学院博士研究生梁爽、吴琦；通讯作者为物理学院张昕彤教授、王长华副教授。

图1：液相等离子体催化制备过氧化氢成果相关图

氮肥是农业生产的基础，但传统的固氮方法-哈伯法会产生大量温室气体，即每生产1吨氨排放1.9吨二氧化碳，氨生产过程中总的二氧化碳排放量约占全球碳排放的1.8%。因此，开发清洁高效的固氮技术具有重要意义。该团队研发了一种过渡金属氢氧化物辅助的液相等离子体固氮技术。在等离子体放电过程中，添加Co(OH)₂成功缓解了固氮过程中的溶液酸化，延长了放电时间，为氮的等离子体转化创造了可持续的环境，实现了9.42 mmol L-1的NOx-浓度，超过了商业营养液对氮含量的要求。该成果以“Solution Plasma-Cobalt Hydroxide-Enabled Nitrogen Fixation”为题，发表于国际期刊Chem. Comm.（2024, 60, 6893）；论文的第一作者为物理学院硕士研究生欧阳文婷、师资博士后杜京伦；通讯作者为物理学院的张昕彤教授、王长华副教授。王长华副教授同时还入选了该期刊2024年的先锋学者（Pioneering Investigator）。

单原子催化剂因其高原子利用率、特殊电子结构和强金属-载体相互作用，已成为催化领域的研究热点。然而，传统的单原子制备方法通常采用载体预先缺陷化、再锚定金属单原子的策略，这导致金属还原度低、载体锚定弱，从而限制了催化剂的活性和稳定性。为此，该团队在前期液相等离子体间歇制备单原子Au/CeO2催化剂的基础上Adv. Funct. Mater.（2022, 32, 2207694），进一步发展了连续流制备单原子催化剂技术，在0.03 s的停留时间即可实现97%以上的金属前驱体捕获效率，成功制得了CeO2基单原子Au、Rh、Pd、Ru和Pt催化剂以及Au1Rh1/CeO2和Au1Pd1/CeO2双原子催化剂。该连续流溶液等离子体方法利用清洁电力，能够连续生产单原子催化剂，具备原子经济性和无需添加还原剂等优点，为单原子催化剂的程序化和绿色合成提供了有效途径。该成果以“Continuous-Flow Solution Plasma for the Atom-Economic Synthesis of Single/Dual-Atom Catalysts” 为题，发表于国际著名期刊Adv. Funct. Mater.（2024, 34, 2407276）；论文的第一作者为物理学院博士毕业生邢艳梅；通讯作者为物理学院张昕彤教授、王长华副教授。

图2：液相等离子体制备单原子催化剂成果相关图

以上研究得到了国家自然科学基金、吉林省科技厅重点研发等项目的支持。