基于超声空化的压电/光复合催化剂的甲烷直接转化研究

As energy shortage and environmental pollution gets worse with the world's population growth, utilizing the carbon-based energy with high efficiency becomes more and more important. Direct conversion of the relatively abundant CH4 will contribute a lot to the sustainable development of energy but is challenging due to the highly stable C-H bond. This project is aiming to systematically study the mechanism of piezoelectrical material and then build a efficient catalyst system for the activation of the C-H bond at low temperature by coupling of piezoelectric, photo, and ultrasonic cavitation. The C-H bond is expected to be activated by the high energy released during the collapsing of ultrasonic cavitation bubbles at ambient temperature.. To gain better fundamental understanding of the reaction mechanisms, we will focus on studying the 1) correlation between the applied strain and the crystal/electron structure of the piezoelectric material; 2) impact of the strain-induced electric potential to the charge separation, the driving force of catalytic reaction, and the type of as formed radical; 3) effect of ultrasonic frequency/amplitude to the type and concentration of as formed radicals, and to the catalytic reaction selectivity; 4) effect of morphology/size of the catalytic material, co-catalyst to the charge separation and the catalytic efficiency.

随着世界人口的增长，能源短缺和环境污染问题的日益加重，合理高效利用碳基能源已经成为众多国家的重大战略需求和挑战。高效直接转化储量丰富但又具有高稳定性的甲烷分子对于能源的可持续发展具有重要的意义。本研究计划通过系统的研究压电材料的作用机理，然后结合压电，光，及超声空化三者一起来构建一个能够实现甲烷低温直接转化的催化剂体系。其中，超声空泡破裂瞬间的巨大能量将用来活化甲烷分子。. 本项目拟通过结合理论计算，多种光谱和电化学的方法来系统的研究压电性能对压电光催化反应的促进机理，主要包含（1）应力形变对压电材料晶体结构和能带结构的影响；（2）应力诱导电场对催化体系电子空穴分离速度，氧化还原电位，和自由基种类的影响；（3）超声的频率和振幅对自由基种类和浓度以及催化反应选择性的影响；（4）压电半导体的形貌和尺寸及助剂对荷电分离和体系催化效率的影响。

光催化技术在近几十年里成为全世界的研究热点之一，在环境治理、可持续能源、及绿色合成等领域均扮演重要作用。但光催化技术在可见光辐照下极低的量子效率和有机合成中难以调控的反应选择性这两个难题限制了光催化技术的工业应用。基于具体应用（反应），针对性的开发高效光催化剂是本领域的挑战及重要目标。解决这一难题需要深入研究反应机理，理解光催化反应与催化剂的构效关系，提出理性设计策略。本项目与企业合作，以光催化合成化学及能源光催化为目标，通过多种原位技术，系统性的探索了高效光驱动合成高附加值化学品及产氢的解决方案。（1）本项目以N-N偶联反应及醇选择性氧化为目标，开发了基于g-C3N4及Bi24O31Br10(OH)δ的高效、廉价光催化剂，实现了可见光条件下将硝基苯选择性偶联合成偶氮及氧化偶氮苯，以及一系列醛类化合物的合成。（2）本项目通过制备物性参数精确可控的光催化剂，系统的研究了g-C3N4及TiO2体系中催化剂的构效关系。该系列工作将原位谱学手段与瞬态计算结合，为后续设计制备高性能光催化产氢催化剂提供了理论基础。