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乙烯是一种重要的商品化学品,也是消耗最多的烯烃基础原料。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。表面受阻路易斯对(SLFPs)基于“受阻路易斯对”(FLPs)概念,在多相催化领域有重要的应用,相关催化剂包含多种金属化合物及MOFs等。它能活化多种小分子,在CO还原应用中成果显著,但在光催化乙烷CH活化领域的应用较少。
近期,苏州大学张晓宏教授、何乐教授与多伦多大学的Geoffrey A. Ozin教授等人首次将SFLPs应用于乙烷非氧化脱氢制乙烯,为SFLPs催化开辟了新方向。通过B位铜取代锰的钙钛矿材料(LaMn1xCuxO3,LMCO)构建SFLPs,明显降低了反应活化能。实验表明,10%铜取代的LMCO-10样品因氧空位和羟基含量增加,形成协同的酸(Mn)-碱(Mn-OH)活性位点,乙烯产率高达1106.5 mol/(gh),选择性达91%,远超未取代样品及表面沉积铜的催化剂。原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)和固体核磁共振(1H NMR)验证了乙烷异裂活化机制,理论计算进一步揭示了光生电子与空穴分别定位于酸/碱位点,驱动-氢被相邻的Mn位点提取,形成乙烯产物并释放H2的关键路径。尽管LMCO-10性能优异,积碳问题导致其稳定性不足,但光氧化再生可恢复大部分活性。技术经济分析显示,当前光催化乙烯成本(基于LED光源)高于市场价(0.71.5 $/kg),但优化光效和催化剂性能有望减少相关成本。研究不仅为乙烷高效转化提供了新策略,还拓展了SFLPs在CO2加氢、水分解等反应中的应用潜力。未来需聚焦抗积碳设计、高温稳定性提升及光热协同优化,以推动该技术向工业化迈进。该工作近期以“Ethylene production via photocatalytic dehydrogenation of ethane using LaMn1xCuxO3”为题发表在国际顶级期刊Nature Energy上。
(丰富的表面路易斯酸碱对位点(SFLPs)赋予了乙烷脱氢反应卓越的光催化性能)
浙江大学孙威博士应Frontiers in Energy邀请,对该工作撰写了评论文章。文章介绍了同构B-位点取代的镧铜锰氧化物钙钛矿(LaMn1xCuxO3,LMCO)作为 SFLPs 的高效载体,具有性能优势。利用原位DRIFTS和固态1H NMR光谱和理论计算,明确了光激发下反应各步骤的机理,生成乙烯和H2。对其技术可行性和经济性做多元化的分析,结果显示优化后的方案有望减少相关成本,提高商业可行性。最后对其进行展望:研究为钙钛矿中 SFLPs 作用提供见解,具有可持续性优势。但存在催化剂失活和高温稳定性问题,未来应改善反应器光学性能、提高光子-产物效率、开发抗积碳材料或工艺。该评论文章还指出了原文中未包含的信息:该工作虽然未强调“光热催化”的概念,但是实际使用的方法同时利用了光化学过程和光引发的热效应,或可为光热方法在更多低碳能源催化过程的应用提供借鉴。与此同时,该研究中制备SFLP的技术能扩展到其他钙钛矿材料,甚至更具多功能性的氧化物,用于重要的化学转化过程。
孙威,本科毕业于吉林大学化学学院。于加拿大多伦多大学(University of Toronto)化学学院获直升博士学位,师从“纳米化学之父”、爱因斯坦奖获得者Geoffrey Ozin教授。毕业后兼聘于多伦多大学化学学院和机械工程学院,完成博士后研究。2019年加入浙江大学材料科学与工程学院及硅材料国家重点实验室担任“百人计划研究员”职务,博士生导师,隶属于杨德仁院士硅材料研究团体。围绕纳米硅及其复合材料合成展开了一系列系统研究,开拓硅在催化、能源、环境等非传统领域的新应用。近年来以在Nature Catalysis., Nature Commun.,Science Adv., Adv. Science, Adv. Mater.,Angew. Chem., 等高水平学术期刊上发表近70篇学术论文,其中约一半影响因子大于10。研究成果曾被Science Daily, 科技日报,Materials Views等科技媒体多次亮点报道,获浙江大学首届青年学者十大学术进展,国家优秀自费留学生奖学金,以及多伦多大学最高国际生奖学金Connaught Scholarship,Wiley Rising Star,Nanoscale Emerging Investigator。国家青年人才,承担国家重点研发青年科学家计划等多项国家部委科研项目。曾任浙江大学双专干部,目前任半导体材料研究所副所长,并担任中国感光学会青年理事及《Rare Metals》、《Chinese Chemical Letters》、《Transactions of Tianjin University》等多个期刊青年编委。
Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊,高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编,中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊,美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric,上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。
Frontiers in Energy免收版面费,且对于录用的文章无偿提供语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件(不包括评论、新闻热点等短文),第一轮审稿周期约30天,从审稿到录用平均60天。
由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中12种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。
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