南工陈苏教授团队 CEJ：基于微流体气喷纺丝机构筑可以吸收CO?产氧的织物

2023-08-16 来源：高分子科技

大量的化石燃料消耗所产生二氧化碳排放造成全球气候变暖及自然灾害等问题，如沙漠化和极端天气，科学界正在努力寻找有效的解决方案。其中一种有前景的策略是人工光合作用，即利用水作为还原剂，将二氧化碳转化为有价值的化学燃料和无机化合物，同时产生氧气并存储太阳能。然而，这个过程需要满足光催化剂的热力学要求，激活二氧化碳和水中的化学键，而这是一项具有挑战性的任务。目前，科学家们已经探索了各种策略来设计有效的光催化剂，这些策略已经取得了一些成功，但是光催化剂的量子产率依然有待提高。另外，现有的研究重点主要集中在二氧化碳的转化上，而并未充分关注到水的分解过程。以自然光合作用为灵感，科学家们正在开发基于叶绿素衍生物的光催化系统，以驱动水分解为氧气的反应。然而，这仍然是一个具有挑战性的问题，需要进一步的研究和探索。

针对上述科学问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授团队开发了一种创新的人工光合作用系统，这可能是缓解全球变暖和减少温室气体排放的一个有效策略。该系统巧妙利用了微流体气喷纺丝技术（microfluidic blowing-spinning）可制备超细纳米纤维（小于100 nm）及生产效率高的特点 (该设备由南京捷纳思新材料有限公司提供)，将胶体粒子和叶绿素钠铜盐混合物喷涂到聚酯织物上，形成了一种具有独特光子结构的模拟生物虹膜质体的光催化剂。这种新型的光催化剂可以在织物中负载，如可作为一种光催化遮阳伞，用于二氧化碳转化并产生氧气。这种新型光催化剂的工作原理在于源自光子晶体结构的慢光子效应将光子限制在晶体中，并增加光子和光催化剂之间的相互作用。通过合理设计，光催化剂的吸收带与光子晶体禁带边缘重叠，从而实现了二氧化碳还原的最佳光子增强效果。最终这种光催化剂的光催化活性显著提高，氧气的产生速率达到了7.8毫摩/克·小时，比纯叶绿素铜钠盐高出24倍以上。织物不仅有纺织品的功效的同时又赋予转化二氧化碳制氧的功效，为纳米纤维的高效利用提供了可实用化的案例。

图1 生物模拟光催化织物的制备、潜在应用和优势示意图。

图2 光催化织物的物理和化学性质。

图3光催化织物中不同含量的叶绿素铜钠盐的光催化性能及其稳定性。

图4 光催化织物的慢光子效应及其对气体生成的影响。

图5 光催化织物的光生电性能。

图6 光催化织物的光催化机理及原位红外测试。

图7 光催化织物的形貌及光催化性能。

图8微流体气喷纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司生产、南京贝耳时代科技有限公司研制）

这项工作的成功，不仅为设计更高效的光催化织物提供了灵感，也为解决我们当前面临的温室气体排放的环境问题提供了新的策略和可能的方向。该研究成果于近日发表在化学工程领域的重要期刊《Chemical Engineering Journal》上（影响因子：16.744）。“Biomimetic Chlorophyll Derivatives-based Photocatalytic Fabric for Highly Efficient O₂ Production via CO₂ and H₂O Photoreaction”(Chemical Engineering Journal 472 (2023) 145103)。南京工业大学博士后于淑贞为第一作者。南京工业大学金奇杰、朱亮亮、陈苏教授为通讯作者。

该课题得到了国家自然科学基金项目、江苏省特聘教授计划和中国博士后科学基金项目资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723038342

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（责任编辑：xu）

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