北京化工大学陈建峰院士团队：基于超重力技术的光解水制氢用有机无机复合光催化材料制备新方法

背景介绍

2020年，我国基于推动构建人类命运共同体和实现可持续发展的需求，做出了“力争2030年前碳达峰、争取2060年前碳中和”的重大战略国策，社会经济生产和生活模式将发生革命性变革。氢能作为替代化石能源实现碳中和的重要选择，被列入我国《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》前沿科技和产业变革领域，成为“前瞻谋划未来产业”布局的重要部分。光解水制氢是在光催化剂的协助下直接利用太阳能将水分解产生氢气，从而实现太阳能向清洁能源氢能的转化，具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景，其关键是高效、稳定和低成本的光催化剂开发。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种极具潜力的非金属有机半导体光催化剂，具有能带位置合适、原料来源丰富、价格相对低廉等优势。然而，纯的g-C₃N₄材料具有光生电子和空穴的复合严重等问题，限制了其光催化效率和应用。通过无机纳米晶粒（Ni₂P, Co₃O₄, Fe₂O₃, CuO等）和g-C₃N₄材料复合，调控禁带宽度和活性位点密度，强化光生电子与空穴传递，实现光解水制氢反应过程的优化，可显著提升光催化剂的产氢性能。因此，高性能有机无机复合光催化材料的规模化可控制备，是光解水制氢实用化的关键科学技术问题。

研究进展

近期，北京化工大学陈建峰院士团队提出了一种可用于光解水制氢催化的Ni₂P/g-C₃N₄有机无机复合材料制备新方法。基于超重力强化分子混合与传质的特性，采用超重力旋转填充床反应器协同提升g-C₃N₄纳米片液相剥离与Ni₂P纳米晶反应沉淀，获得的Ni₂P/g-C₃N₄复合材料在可见光下的光催化产氢活性可达561 μmol g^-1 h^-1，优于商业基准光催化剂二氧化钛P25的可见光催化产氢性能（~40 μmol g^-1 h^-1）。并且，在长达16 h的稳定性测试中，Ni₂P/g-C₃N₄催化材料具有良好的稳定性。

以往相关光解水催化材料的研究重点关注材料催化机理和成分结构优化，为催化剂筛选提供了理论基础和科学指导。该工作面向未来产业转化的实际需求，通过化工、材料和光学工程学科交叉融合，探索了先进化工过程强化技术装备在微纳尺度光功能材料制造的应用，拓展了相关科学技术研究的广度和深度，为高性能光解水制氢催化材料的规模化可控制备提供了新思路。同时，体现了“在工业容器尺度（反应器/分离器）上对物质分子尺度上的化学转化过程可控和产品分子结构（原子排列）精准可控”的分子化学工程研究新范式对纳米材料前沿科技和未来产业变革的重要作用。

基于Ni₂P/g-C₃N₄有机无机复合催化材料的光解水制氢示意图

文章信息

相关工作以“High-gravity-assisted engineering of Ni₂P/g-C₃N₄ nanocomposites with enhanced photocatalytic performance”为题，发表在Green Energy & Environment期刊，第一作者为博士研究生赵志建，通讯作者为王丹教授和张亮亮教授。

https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.09.006

作者简介

王丹

王丹，北京化工大学化学工程学院教授，博士生导师，有机无机复合材料国家重点实验室和教育部超重力工程研究中心骨干教师。Applied Nanoscience副主编，美国化学工程师协会高级会员。主要从事超重力技术与纳米材料前沿科学研究，以第一或通讯作者在AIChE J.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Eng. Sci.、Engineering、Nano Energy、Small等期刊发表论文60余篇，获授权发明专利15件，参与编写学术专著章节3章，参与起草行业标准2项和团体标准1项，受邀在美国通用汽车全球研发中心、约翰霍普金斯大学等国外企业和高校做学术报告10余次。曾获中国工程前沿杰出青年学者、教育部霍英东教育基金会青年教师奖一等奖、广东省科技进步奖二等奖等荣誉奖励。

张亮亮

张亮亮，北京化工大学化学工程学院教授，教育部超重力工程研究中心骨干教师。主要研究方向为多相反应过程强化、功能性纳米材料制备。先后主持承担国家自然科学基金、国防基础产品创新专项、国家重点研发计划（子课题）等项目，并开展了与中石油、中石化、中海油、航天科技集团、浙江巨化等企业合作项目，建成多条工程化示范线和生产线。在AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.、Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.等学术期刊发表论文50多篇，授权发明专利50余项，作为主要完成人获中国化工学会技术发明一等奖1项（排名2）、中国化工学会科技进步一等奖1项（排名4）、石油和化学工业联合会技术发明一等奖1项（排名5）。参与编制国军标1项，参与编写专著2本。

陈建峰

陈建峰，中国工程院院士，北京化工大学教授，博士生导师，有机无机复合材料国家重点实验室主任，教育部超重力工程研究中心主任。世界化工联盟执委，国家制造强国建设战略咨询委员会委员。中国工程院院刊Engineering执行主编，Reaction Chemistry & Engineering、Chemical Engineering & Technology、化工学报等期刊编委。主要从事纳米材料与超重力技术研究，是国际超重力反应工程领域开拓者之一，国际率先提出超重力反应器工程思想并实现了产业化，为使我国成为国际超重力工业技术引领的国家做出了重要贡献。以第一完成人，获2项国家技术发明二等奖和1项国家科技进步二等奖，合作获1项国家技术发明二等奖，获首届全国创新争先奖、何梁何利创新奖、美国DOW化学基金奖、全国优秀教师等多项奖励和荣誉。

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部

相关推荐