学术视点

鲁效庆教授团队在碳捕获、分离及利用研究方面取得系列进展

作者:王兆杰发布时间:2020-10-16浏览次数:86

近日,我院鲁效庆教授团队在碳捕获、分离及利用研究领域取得系列进展,相继在Materials Today PhysicsJournal of Materials Chemistry A等国际知名学术期刊发表学术论文7篇。该系列成果得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和中央高校基本科研基金资助。

CO2过度排放导致的全球环境问题已经引起了人们的广泛关注,由此引发的气候变暖、海平面上升及生态系统失衡等问题,直接威胁人类社会的生存与发展。因此,探索长期有效的CO2减排与转化技术已成为当今国际社会研究的难点与热点之一。鉴于此,团队从材料设计出发,通过金属掺杂、电场调控、应力调变、配位环境改变等策略,调控吸附材料电子结构,提升材料CO2吸附、分离与转化效率,揭示材料中气体–吸附剂相互作用机理、可控电场中吸附/脱附机理、杂原子/金属离子作用机理、CO2催化还原机理等微观本质,为碳捕获、分离与催化转化材料的设计与筛选提供了科学依据和理论支持。

题目《电场调控型纳米磷碳材料中CO2吸附与分离》(Carbon phosphides: promising electric field controllable nanoporous materials for CO2 capture and separation) 的研究论文发表在Journal of Materials Chemistry A杂志(J. Mater. Chem. A, 2020,8, 9970-9980)。该工作采用DFT方法,通过电场调控在6种碳磷纳米材料中(PCn; n = 0.33, 1, 2, 3, 5, 6)实现高效的CO2吸附与分离。PCn材料在电场中表现出较高的稳定性和导电性,随着电场强度增加,CO2在PC0.33、PC2、PC5的吸附由物理吸附转为化学吸附,有效地提高了CO2与PCn结构的相互作用;在电场作用下,PCn材料表现出优异的CO2/N2分离性能和防水特性。PC5结构在电场强度为0.0020 a.u.下表现出最佳的CO2吸附特性,动力学过程表明通过电场开/关效应可以在PC5材料中实现低能耗的CO2吸附与脱附。该论文第一作者为2019级博士生周赛男,通讯作者为王兆杰副教授与鲁效庆教授。Journal of Materials Chemistry A属于材料类、化学类一区TOP期刊,影响因子为11.301。

题目为《用于CO2捕获与封存的刺激响应性材料综述》(Stimulus-responsive adsorbent materials for CO2 capture and separation)的论文发表在Journal of Materials Chemistry A杂志(J. Mater. Chem. A, 2020,8, 10519-10533)。该论文综述了一系列具有刺激响应能力的吸附剂材料及其在CO2捕获与分离中研究进展及应用,详细介绍了压强、温度、光、电、磁及客体分子等多种外界刺激对材料作用的本质机理,阐述了CO2对各种外界刺激的响应机制,对刺激响应型材料的设计与开发提供了系统性理论指导和机理阐述,在智能吸附材料开发领域具有积极的启发意义。该论文第一作者为我校2017级硕士生王茂槐,通讯作者为刘思远特任副教授与鲁效庆教授。Journal of Materials Chemistry A属于材料类、化学类一区TOP期刊,影响因子为11.301。

题目为《第一周期过渡金属掺杂石墨炔材料中超高的CO2捕获与CO2/N2/CH4/H2分离性能的理论研究》(First-row transition-metal-doped graphyne for ultrahigh-performance CO2 capture and separation over N2/CH4/H2) 的研究论文发表在Materials Today Physics杂志(Mater. Today Phy., 2020, 16, 100301)。该工作通过对10种第一周期过渡金属掺杂的石墨炔材料进行筛选,探究了Cu-GY、Co-GY、Fe-GY和Mn-GY中CO2捕获与分离情况。金属掺杂后的TM-GY材料呈现出较高的稳定性,且电子结构得到有效地调控。在298 K、1.0 bar下Cu-GY中CO2的吸附量达到8.46 mmol/g,远大于先前报道的裂缝孔结构,这源于Cu掺杂后有效的提升了CO2与骨架材料的相互作用,尤其是库伦相互作用。CO2在Cu-GY结构中多层分布特点进一步证实了此结论。该论文第一作者为2019级博士生周赛男,通讯作者为王兆杰副教授与鲁效庆教授。Materials Today Physics属于材料类一区TOP期刊,影响因子为10.443。

题目为《镍/钴/铁单原子掺杂石墨烯氮碳材料中CO2电催化产生C1产物的DFT理论计算》(Electrochemical CO2 reduction to C1 products on single Nickel/Cobalt/Iron‐doped graphitic carbon nitride: a DFT study) 的研究论文发表在ChemSusChem杂志上(ChemSusChem, 2020, 12, 5126-5132)。该工作选取了第一周期过渡金属Fe、Co、Ni对g-C3N4骨架进行掺杂,基于密度泛函理论研究了该催化剂上CO2RR催化反应过程。由于过渡金属d轨道分布差异,CO2在Co/Fe-C3N4上实现强化学吸附,而在Ni-C3N4上只能实现弱物理吸附,而吸附情况的差异直接导致了初步加氢还原产物的差异(Ni-C3N4上为*COOH,Co/Fe-C3N4上为*OCHO)。通过构建热力学反应网络,发现三种CO2RR催化剂均会抑制析氢反应及CO和HCOOH生成,最终产物倾向于生成CH3OH和CH4。Ni-C3N4与Fe-C3N4在生成CH3OH与CH4过程中关键速率控制步骤均为中间体*CHO的生成步,因此其选择性受限。而Co-C3N4上该过程的速率控制步骤存在差异,表现出较高的甲醇选择性,同时具有最低的反应起始电势。因此,基于g-C3N4骨架的单原子催化剂在较低电极电势下有利于实现CO2还原的深度加氢,表现出极高的潜在应用前景。该论文第一作者为香港城市大学博士生郭琛(本组硕士、联培博士),通讯作者为鲁效庆教授与香港城市大学胡志文教授。ChemSusChem属于中科院SCI一区TOP期刊,影响因子为7.962。

此外,分别研究了连续应变、电场作用下碳基分离膜对CO2等气体的分离行为以及过渡金属中心M-Nx-C上的CO2电催化还原机制。发现通过碳氮膜的“开放”和“封闭”状态可以实现应变控制混合CH4、N2、CO、CO2和H2的连续分离;施加电场可以显著提高CO2在PG纳米片上的结合强度;研究了12种过渡金属中心(Fe-、Co-、Ni-、Cu-、Rh-、Pd-、Ir-和Pt-)等嵌入双空穴石墨烯结构,并从CO2RR的活性和选择性进行了筛选。相关研究成果《应变控制的连续可调碳氮膜气体分离性能的理论研究》(Strain-controlled carbon nitride: A continuously tunable membrane for gas separation)、《电场调控五边形石墨烯中CO2捕获与分离的理论研究》(Penta-graphene as a promising controllable CO2 capture and separation material in an electric field)、《过渡金属单原子负载氮掺杂碳表面用于CO2电催化研究:生成CO还是转化CO?》(Single transition metal atoms on nitrogen-doped carbon for COelectrocatalytic reduction: CO production or further CO reduction?)发表在Applied Surface Science杂志(Appl. Surface Sci., 2020, 506, 144675;Appl. Surface Sci., 2020, 502, 144067;Appl. Surface Sci., 2020, 533, 147466)。第一作者分别为王茂槐、王茂槐、郭琛,鲁效庆教授为通讯作者。Applied Surface Science最新影响因子为6.182。

鲁效庆教授团队(http://nees.sci.upc.edu.cn)长期从事新能源与环境相关领域的应用基础研究。近年来在国家自然科学基金、山东省自然科学基金等资助下开展了气体吸附/分离材料设计、电催化剂的设计合成、电化学储能器件等方面的研究工作,授权国家发明专利20余项,发表SCI学术论文100余篇,培养的研究生获得山东省研究生科技创新成果奖、山东省优秀硕士学位论文、中国石油大学优秀硕士学位论文、中国石油大学“学术十杰”提名以及研究生国家奖学金等多项荣誉称号。


相关链接:

1. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta03262j#!divAbstract

2. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta01863e#!divAbstract

3. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529320301255?via%3Dihub

4. https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.201902483

5.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433219334919?via%3Dihub

6.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433219328831?via%3Dihub

7. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220322236?via%3Dihub