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南工陳蘇教授團(tuán)隊(duì) CEJ：基于微流體氣噴紡絲機(jī)構(gòu)筑可以吸收CO?產(chǎn)氧的織物
2023-08-16  來源：高分子科技

  大量的化石燃料消耗所產(chǎn)生二氧化碳排放造成全球氣候變暖及自然災(zāi)害等問題，如沙漠化和極端天氣，科學(xué)界正在努力尋找有效的解決方案。其中一種有前景的策略是人工光合作用，即利用水作為還原劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)燃料和無機(jī)化合物，同時(shí)產(chǎn)生氧氣并存儲(chǔ)太陽能。然而，這個(gè)過程需要滿足光催化劑的熱力學(xué)要求，激活二氧化碳和水中的化學(xué)鍵，而這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前，科學(xué)家們已經(jīng)探索了各種策略來設(shè)計(jì)有效的光催化劑，這些策略已經(jīng)取得了一些成功，但是光催化劑的量子產(chǎn)率依然有待提高。另外，現(xiàn)有的研究重點(diǎn)主要集中在二氧化碳的轉(zhuǎn)化上，而并未充分關(guān)注到水的分解過程。以自然光合作用為靈感，科學(xué)家們正在開發(fā)基于葉綠素衍生物的光催化系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)水分解為氧氣的反應(yīng)。然而，這仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，需要進(jìn)一步的研究和探索。


  針對(duì)上述科學(xué)問題，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新的人工光合作用系統(tǒng)，這可能是緩解全球變暖和減少溫室氣體排放的一個(gè)有效策略。該系統(tǒng)巧妙利用了微流體氣噴紡絲技術(shù)（microfluidic blowing-spinning）可制備超細(xì)納米纖維（小于100 nm）及生產(chǎn)效率高的特點(diǎn) (該設(shè)備由南京捷納思新材料有限公司提供)，將膠體粒子和葉綠素鈉銅鹽混合物噴涂到聚酯織物上，形成了一種具有獨(dú)特光子結(jié)構(gòu)的模擬生物虹膜質(zhì)體的光催化劑。這種新型的光催化劑可以在織物中負(fù)載，如可作為一種光催化遮陽傘，用于二氧化碳轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生氧氣。這種新型光催化劑的工作原理在于源自光子晶體結(jié)構(gòu)的慢光子效應(yīng)將光子限制在晶體中，并增加光子和光催化劑之間的相互作用。通過合理設(shè)計(jì)，光催化劑的吸收帶與光子晶體禁帶邊緣重疊，從而實(shí)現(xiàn)了二氧化碳還原的最佳光子增強(qiáng)效果。最終這種光催化劑的光催化活性顯著提高，氧氣的產(chǎn)生速率達(dá)到了7.8毫摩/克·小時(shí)，比純?nèi)~綠素銅鈉鹽高出24倍以上。織物不僅有紡織品的功效的同時(shí)又賦予轉(zhuǎn)化二氧化碳制氧的功效，為納米纖維的高效利用提供了可實(shí)用化的案例。


圖1 生物模擬光催化織物的制備、潛在應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)示意圖。


圖2 光催化織物的物理和化學(xué)性質(zhì)。


圖3光催化織物中不同含量的葉綠素銅鈉鹽的光催化性能及其穩(wěn)定性。


圖4 光催化織物的慢光子效應(yīng)及其對(duì)氣體生成的影響。


圖5 光催化織物的光生電性能。


圖6 光催化織物的光催化機(jī)理及原位紅外測(cè)試。


圖7 光催化織物的形貌及光催化性能。


圖8微流體氣噴紡絲機(jī)（南京捷納思新材料有限公司生產(chǎn)、南京貝耳時(shí)代科技有限公司研制）


  這項(xiàng)工作的成功，不僅為設(shè)計(jì)更高效的光催化織物提供了靈感，也為解決我們當(dāng)前面臨的溫室氣體排放的環(huán)境問題提供了新的策略和可能的方向。該研究成果于近日發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域的重要期刊《Chemical Engineering Journal》上（影響因子：16.744）！Biomimetic Chlorophyll Derivatives-based Photocatalytic Fabric for Highly Efficient O2 Production via CO2 and H2O Photoreaction”(Chemical Engineering Journal 472 (2023) 145103)。南京工業(yè)大學(xué)博士后于淑貞為第一作者。南京工業(yè)大學(xué)金奇杰、朱亮亮、陳蘇教授為通訊作者。


  該課題得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、江蘇省特聘教授計(jì)劃和中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目資助。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723038342

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