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大连化物所发现单核锰催化剂的水氧化活性可媲美自然光合作用催化

发布时间:2020-05-21 点击:活性氧化
  

  水氧化是水分解的速控步骤,也是自然光合作用和人工光合成的原初反应。开发高效稳定的水氧化催化剂是实现人工光合成(包括光催化、光电催化和电催化)的关键。经过科学家长期努力,人们了解到自然光合作用的水氧化反应(发生在光合体系II,PSII)上,其活性中心是多核锰(CaMn4O5),它显示超高的活性(频率高达100-400s-1),在非常低的过电位下就可以高效氧化水。因此,人们长期以来努力模拟自然光合作用的多核锰催化剂结构,认为水氧化的活性中心至少要2个以上的金属离子位点才能实现高效催化水氧化。大量文献表明,许多金属有机配合物催化剂的确显示,双金属活性中心的耦合能有效降低水氧化反应活化能,但均相催化剂一般稳定性低,在水氧化过程自身容易被氧化,不容易应用于实际的人工光合成体系中。

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和做出了不可替代的重要贡献。/ 更多简介 +

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  李灿研究团队一直致力于发展能够将太阳能人工光合成体系稳定的多相水氧化催化剂,先后尝试纳米MnOx(JPC,J.Catal.), IrOx(ACS Catal.)和CoOx(Chem.Sci.,JACS)催化剂并取得一定进展。研究发现,当CoOx、IrO2纳米尺度减小到1-2nm时,水氧化活性(频率)可达到接近10s-1,是目前报道的多相催化剂水氧化活性较高的水平之一。在此基础上进一步减小尺寸,直至单核Mn(Mn2+/Mn4+)时,科研人员发现水氧化活性突跃上升到200s-1,是目前报道的多相催化剂水氧化最高的活性,也达到PSII水氧化多核锰催化剂的水平。表征和理论计算结果表明单核锰催化剂上显示与多核锰上不同的水氧化反应机理。这一研究进展不仅为发展太阳能人工光合成高效水氧化催化剂开拓了新的方向,也将引发人们在科学上对多核锰水氧化催化剂及其机理进行重新认识。

  水氧化是水分解的速控步骤,也是自然光合作用和人工光合成的原初反应。开发高效稳定的水氧化催化剂是实现人工光合成(包括光催化、光电催化和电催化)的关键。经过科学家长期努力,人们了解到自然光合作用的水氧化反应(发生在光合体系II,PSII)上,其活性中心是多核锰(CaMn4O5),它显示超高的活性(频率高达100-400s-1),在非常低的过电位下就可以高效氧化水。因此,人们长期以来努力模拟自然光合作用的多核锰催化剂结构,认为水氧化的活性中心至少要2个以上的金属离子位点才能实现高效催化水氧化。大量文献表明,许多金属有机配合物催化剂的确显示,双金属活性中心的耦合能有效降低水氧化反应活化能,但均相催化剂一般稳定性低,在水氧化过程自身容易被氧化,不容易应用于实际的人工光合成体系中。

  近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部中科院院士李灿和博士管景奇等人发现由氮化石墨烯做基体稳定的单核锰活性中心化学水氧化活性频率高达200s-1以上,可与自然光合作用体系PSII多核锰(CaMn4O5)反应中心的水氧化活性相媲美,并提出单核锰反应中心上水氧化反应机理,相关研究结果以全文的形式发表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。

  李灿研究团队一直致力于发展能够将太阳能人工光合成体系稳定的多相水氧化催化剂,先后尝试纳米MnOx(JPCJ.Catal.), IrOx(ACS Catal.)和CoOx(Chem.Sci.JACS)催化剂并取得一定进展。研究发现,当CoOx、IrO2纳米尺度减小到1-2nm时,水氧化活性(频率)可达到接近10s-1,是目前报道的多相催化剂水氧化活性较高的水平之一。在此基础上进一步减小尺寸,直至单核Mn(Mn2+/Mn4+)时,科研人员发现水氧化活性突跃上升到200s-1,是目前报道的多相催化剂水氧化最高的活性,也达到PSII水氧化多核锰催化剂的水平。表征和理论计算结果表明单核锰催化剂上显示与多核锰上不同的水氧化反应机理。这一研究进展不仅为发展太阳能人工光合成高效水氧化催化剂开拓了新的方向,也将引发人们在科学上对多核锰水氧化催化剂及其机理进行重新认识。

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部中科院院士李灿和博士管景奇等人发现由氮化石墨烯做基体稳定的单核锰活性中心化学水氧化活性频率高达200s-1以上,可与自然光合作用体系PSII多核锰(CaMn4O5)反应中心的水氧化活性相媲美,并提出单核锰反应中心上水氧化反应机理,相关研究结果以全文的形式发表在《自然-催化》(Nature Catalysis)上。

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