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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：王兆杰审核：发布者：张琰发布时间：2020-10-16浏览次数：1410

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 Physics、Journal 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PC_0.33、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 CO₂electrocatalytic 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。