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【美丽成电·创新之美】成电学子的最新研究成果:光催化还原二氧化碳有了新进展!
文:学生记者团 赵海玲 来源:新闻中心 时间:2022-06-16 1819

据世界气象组织发布的《2021年全球气候状况报告》显示,2021年,大气中温室气体浓度持续上升,当年全球平均气温比工业化前水平高出约1.11摄氏度。2021年海洋上层2000米深度范围继续升温,预计未来还将继续升温,而这一变化在百年到千年的时间尺度上是不可逆的,寻找可再生的清洁能源成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。

近期,我校电子科学与工程学院2019级博士研究生程蕾在材料学国际顶级期刊《Advanced Materials》上发表了题为“Site-Specific Electron-Driving Observations of CO2-to-CH4 Photoreduction on Co-doped CeO2/Crystalline Carbon Nitride S-scheme Heterojunctions”的论文。程蕾为该论文的第一作者,其导师向全军教授为该论文的唯一通讯作者,电子科技大学为第一作者单位。

该论文中提出了一种光催化还原CO2等温室气体,使其转化为具有高选择性高附加值的化学品和燃料如甲烷等的新方法,最大限度地发挥催化活性位点同步反应的潜力,为光催化还原二氧化碳优化活性和选择性提供了可行性。

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结果与预期不符?先别急着推翻

光催化技术作为一种极具潜力的绿色新型技术之一,可以通过太阳能将温室气体如二氧化碳转化为具有高附加值的化学品和燃料,有利于解决化石燃料短缺和全球环境污染等问题。但由于光催化还原CO2的这一反应涉及到复杂的多电子转移路径,导致其产物众多,如一氧化碳、甲醇、甲烷等。如何构建合理的光催化体系,以获得高选择性高附加值燃料成为该领域内所面临的巨大挑战。

在论文中,程蕾及其团队提出了一种提高CO2光催化性能的新方法。利用单原子Co锚定CeO2助催化剂而不是氮化碳载体中,构建具有特异性定向载流子迁移的S型异质结,双金属CeCo特异性的配位不饱和结构在光激发载流子动力学中显示出局域金属/配体间的动态互连且共存的电子/空穴分离效应,加速了从PTI供给体到特定活性位点Co的电子驱动,实现特定界面结构的定向电子转移,提升了单位面积的电荷捕获位点,从而通过人工光合作用选择性地实现了CO2到CH4的光催化转化。达到了在不添加任何牺牲剂的情况下,通过完全气固相反应,CH4选择性高达88.3 %,实现了CH4产率的近121倍提升(相比于纯氮化碳)。

通俗来说,光催化还原CO2过程涉及光吸收、半导体激发、光生电荷的迁移及分离、活性物种产生利用等众多转化步骤。其中如何提高光生载流子利用率显得至关重要,因为电子分离和转移效率越好,单位面积内参与CO2还原路径就越多,从而更有益于促进多电子反应产物,如甲烷这种绿色能源。设想A水桶(提供电子的氮化碳载体)里面装满了水(在光激发下电子空穴对分离),通过与B水桶构建一个高度差(CeO2助催化剂形成异质结接收电子),将A桶中的水尽可能多的转移到B桶中有哪些方法呢?程蕾及其团队提出的方式是在B桶上加一个抽水泵(将Co(泵)锚定到CeO2助催化剂上),这样就会有更多的水(电子)转移,最终的产物里就会有更多的CH4

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图 1. 形貌和结构表征。a,b) CeCo-PTI 的像差校正 HAADF-STEM 图像。右下图为CeCo-PTI的结构模型。c) PTI、Ce-PTI和CeCo-PTI的XRD图。d) CeCo-PTI(上)和 Ce-PTI(下)的 Ce 3d 的XPS 光谱。e) Co 箔、CoO、CoPc、 Co3O4 和CeCo-PTI 的 Co K-edge的归一化 XANES 光谱。f) CeCo-PTI(左)和 Co3O4(右)的小波变换(WT)等值线图。

但程蕾坦言,这一实验的成果并非源于他们最初的想法。“我们当时的构建思路是将单原子Co通过螯合作用配位到载体氮化碳上,但是在实验过程中发现,在有CeO2的情况下,单原子Co始终无法锚定到氮化碳上,而是与CeO2进行局部配位作用。多次实验后,我们发现这种单原子Co在CeO2与氮化碳复合体系中具有特殊的结构敏感性,理论计算也进一步证实了我们的猜想。因此,我们深入研究了该体系的特异性,结果发现这种具有特异性定向载流子迁移的S型异质结对光催化还原CO2-to-CH4具有显著的活性和选择性。”

谈及这一方法背后的故事时,程蕾说到,“起初构建的思路与实验结果完全不符,我当时还以为要失败了,但是在向老师的指导下,我们没有急于推翻重来,而是抱着怀疑的态度对实验进行重现, ‘Vision determines the impact’,现在想想这句话果然醍醐灌顶。”

承认自己不懂也没什么

事实上,这已经不是程蕾第一次在《Advanced Materials》发表论文了。去年,她就曾在该杂志上以第一作者身份发表了研究性论文“Dual-Single-Atom Tailoring with Bifunctional Integration for High-Performance CO2 Photoreduction”。

博士期间,她以第一作者的身份在在Advanced Materials 、Energy & Environmental Science、Small 、Journal of Physical Chemistry Letters、Solar RRL等发表SCI论文12篇,其中中科院一区论文10篇,ESI高被引论文3篇,获评学校“学术新秀”荣誉称号。

当问到是什么原因让她获得如此出色的成绩时,程蕾有些不好意思地说到,“我一直没觉得自己有多出色,相反我觉得别人身上有很多闪光点,我一直都在学习,有不懂的地方我就去问别人,在这一过程中我发现很多优秀的人其实是非常乐意为你解惑的。总之,不要觉得问问题会不好意思,勇敢地承认自己不懂也没什么。此外,我的导师向全军教授对我也产生了重要影响,他创造条件让我心无旁骛地专心科研,放手让我做自己感兴趣的课题,不断开发我的潜力,并在我遇到困难时将人生经验分享给我。”

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左一为程蕾,左二为向全军教授

你可能会认为已经发表了多篇SCI论文的程蕾一定是一个天赋型的选手,但程蕾却说,“我就是把手头上的工作力所能及地做到最好,每天都做一点,我喜欢且热爱钻研,我对每一个新课题都充满了好奇和兴趣,但是我一个时间段只能投入到一个事情。我试过两个课题一起做,但那样我的思路就会混乱,效率就会很低,所以只有把一个课题做完之后,我才有精力投入到下一个课题。”

科研的关键是什么?怎样才能获得好的科研成果呢?面对这些问题,程蕾分享了她的心得,“我们研究的这个方向需要做很多实验和表征,但我却觉得比起去实验室,更重要的是做完实验后的思考与复盘,你需要根据实验现象分析最本质的原因。其次,当你拿到一个课题之后,首先需要调研这一领域相关的情况,然后你需要了解当前该领域的现状和局限,学会思考如何才能做出和别人不一样的东西,也就是你的创新点,这才是最关键的,这个开始过程可能会慢一点,但正如我的导师经常告诉我的,‘磨刀不误砍柴工’。”

程蕾有一个坚持了6年的习惯:每周一上午,她做的第一件事就是把这一周要完成的事情全都写在“有道笔记”APP上面。每完成一条,她就会相应地划掉一条。程蕾笑着说,“这个习惯坚持久了就形成了‘强迫症’,如果到周五,我发现还有事情没有完成,心里就特别不舒服,把所有的计划做完我才会心安。”

科研以外,程蕾喜欢在空闲时间画画,“我很享受画画的过程”。

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程蕾的画作

缺点被指出来不应该感谢对方吗?

程蕾是同学眼中的“学霸”,博士期间曾连续两年获得博士研究生国家奖学金。

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回首成长之路,程蕾认为,心态决定了自己对一个事情的审视角度。回忆起刚开始接触科研的经历,程蕾说道,“做科研,你刚开始做实验数据不理想,或者写一篇文章需要反复修改,这个过程会很痛苦,但重要的是心态。读研前两年的时候,每次去老师办公室,听老师对课题数据分析或论文的指导意见,一待就是一个多小时,我特别珍惜那宝贵的一个多小时,尤其是老师的批评。因为自己不够好的地方被别人挑出来了,难道你不应该感谢他吗?”

程蕾的论文投稿历程也不是大家眼中的运气爆棚,其中有一篇论文就历时大约一年零二个月,“我投了十几个期刊全都被拒了。当时对那篇论文期望还是蛮高的,但一次次修改重投,一次次被拒,一次次的失落”。说到这里,程蕾表示,“很感谢家人和导师对我科研的支持和鼓励,尤其是家人每次都会在我失落的时候跟我说不着急慢慢来,让我可以心无旁骛地从事课题研究。”

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程蕾在分享她的科研经历时提到这样一句话“我一直都相信‘勤奋比天赋更重要’,科学之路漫长且曲折,正如向老师所说,科研最重要的品质就是静下心来,保持恒心是做出课题的关键。”在博士阶段的程蕾,也正朝着这样的方向努力,一步一个脚印,遇到问题、分析问题、解决问题,希望自己在不断思考和磨练之中,能够得到更好的成果和突破。因此,无论此刻的你正在背怎么也记不住的单词,还是被一道什么解题思路都没有的难题折磨,还是面对着电脑屏幕上数不清的error一筹莫展,别放弃,请一定相信“天道酬勤”。


编辑:何乔  / 审核:何乔  / 发布:陈伟