最近，我院太陽能研究部催化基金會國家重點實驗室的院士和關(guān)博士發(fā)現(xiàn)，氮化石墨烯穩(wěn)定的單核錳活性中心的化學水氧化活性轉(zhuǎn)換頻率高達200s-1，與天然光合作用體系的多核錳(CaMn4O5)反應中心的水氧化活性相當。提出了單核錳反應中心水氧化反應的機理，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然催化》全文中

水氧化是水分解的快速控制步驟，也是自然光合作用和人工光合作用的初級反應。開發(fā)高效穩(wěn)定的水氧化催化劑是實現(xiàn)人工光合作用(包括光催化、光電催化和電催化)的關(guān)鍵。通過科學家的長期努力，人們了解到，天然光合作用的水氧化反應(發(fā)生在PSII)，其活性中心是多核錳(CaMn4O5)，表現(xiàn)出超高的活性(轉(zhuǎn)換頻率高達100-400s-1)，可以在極低的過電位下高效氧化水。因此，長期以來，人們一直試圖模擬多核錳催化劑的結(jié)構(gòu)進行自然光合作用，認為水氧化的活性中心至少需要兩個金屬離子位點才能實現(xiàn)高效的催化水氧化。大量文獻表明，許多金屬-有機復合分子催化劑確實表明，雙金屬活性中心的偶聯(lián)可以有效降低水氧化反應的活化能，但均相分子催化劑普遍穩(wěn)定性低，在水氧化過程中容易被氧化破壞，因此不容易應用于實際的人工光合作用系統(tǒng)。

李燦的研究團隊一直致力于開發(fā)能夠穩(wěn)定太陽能人工光合作用系統(tǒng)的多相水氧化催化劑，并嘗試了納米氧化錳(JPC，J.Catal .)和氧化銥(ACS Catal)。)和CoOx(化學科學，JACS)催化劑，并取得了一些進展。研究發(fā)現(xiàn)，當CoOx和IrO2的納米尺度降低到1-2nm時，水氧化活性(轉(zhuǎn)化頻率)可達到近10s-1，這是報道的非均相催化劑的高水氧化活性之一。在此基礎上進一步縮小尺寸，直到Mn(Mn2+/Mn4+)單核，研究人員發(fā)現(xiàn)水氧化活性躍升至200s-1，是目前報道的水氧化多相催化劑活性最高的，也達到了多核錳水氧化PSII催化劑的水平。表征和理論計算結(jié)果表明，單核錳催化劑表面水氧化反應的機理不同于多核錳催化劑。這一研究進展不僅為太陽能人工光合作用高效水氧化催化劑的開發(fā)開辟了新的方向，也使人們對多核錳水氧化催化劑及其機理有了科學的再認識。

以上工作得到了國家自然科學基金、科技部973項目和UOP合作項目的支持。(文/圖關(guān))

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