基于树枝形聚合物的有机液体光催化脱氢体系构建及光物理过程研究

中国科学院理化技术研究所   光化学实验室

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项目简介

太阳能是最洁净,也是最可持续的能量来源,利用太阳能催化水分解放氢和储氢(脱氢过程)是最理想的制氢和储氢方式。有机液体储氢技术利用有机分子作为储氢材料,通过加氢反应和脱氢反应来实现储氢和放氢过程,具有以下突出的优点:(1)储氢材料储存、运输安全方便。有机液体储氢材料与汽油类似,可方便利用现有的储存和运输设施,有利于长距离大量输氢;(2)储氢量大。储氢材料具有较高的质量/体积储氢密度;(3)储氢材料廉价易得,可以循环使用,提高了原料利用率。可逆的加氢与脱氢催化反应使得储氢材料可以循环利用,降低了储氢成本。此外,在光催化体系的设计上,我们还采用了催化剂固载的方式,这不但能够提高催化剂的催化活性和稳定性,而且能够很容易地实现催化剂在不良溶剂中的均匀分散,且继承了均相催化剂高活性和高选择性的优点,因其浓度不受溶解度限制,可以提高单位体积内的活性中心数目。目前,我们已经构建了多种光催化分解水产氢体系和光催化有机液体脱氢体系:基于树枝形聚合物的光催化产氢体系以及基于配合物小分子催化剂的均相光催化产氢体系,均具有非常好的光催化产氢活性,量子效率可达28%;固载催化剂方式构建的非均相光催化产氢体系,催化剂的稳定性得到了明显的提高;构建了基于Cd0.5Zn0.5S和C3N4催化剂的光催化产氢体系,且性能优异;三重态-三重态湮灭上转换技术用于光催化产氢体系,拓展了人工光催化产氢体系的光谱利用范围,提高了长波长光能的利用效率;半导体量子点用于构筑四氢喹啉、二氢吲哚等有机液体光催化脱氢体系,脱氢效率高达100%,脱氢底物产率高达90%以上,且体系中未使用贵金属,成本低廉。

应用领域

氢气是一种具有高比热值的清洁能源,有望成为化石燃料的替代品,如果能利用清洁无污染的太阳能光催化分解水制氢,将太阳能转化为氢能,将从根本上解决人类面临的能源和环境问题。此外,氢气作为一种高能环保能源至今没有大规模商业化,根本的制约因素在于氢气大容量储运问题没有解决,并进一步影响了氢能源的高效利用。传统的储氢方式主要是物理法储氢,采用高压气态储氢和低温液态储氢。目前商用高压压缩储氢在使用过程中存在一定的安全隐患。同样,低温液化储氢技术因为高能耗及其特殊储罐高昂的成本而无法规模化利用,急需寻找替代的储氢方式。

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