杭电新闻

近日，我校材料与环境工程学院新能源材料研究中心元勇军教授团队与东南大学管杰教授、南京大学于振涛教授合作，在光热催化重整木质纤维素生物质制氢领域取得重要进展，相关成果以《Regulating Lewis Acidic Sites of 1T-2H MoS2 Catalysts for Solar-Driven Photothermal Catalytic H2 Production from Lignocellulosic Biomass》为题发表在国际纳米领域著名期刊Nano Letters (2024, 24, 331-338；IF：10.8，1区，TOP期刊)。材环学院2021级研究生马弛与东南大学化学学院博士研究生程淼为共同第一作者，我校元勇军教授与东南大学管杰教授、南京大学于振涛教授为共同通讯作者，杭州电子科技大学为第一通讯单位。

植物光合作用产生的木质纤维素生物质年产量超千亿吨, 是一类潜在的可持续能源资源，被认为是化石燃料最合适的替代品。目前，木质纤维素生物质能源化的主要途径是热化学/热催化法，可实现将木质纤维素生物质转化为化学燃料，但该方法能耗高、产物选择性差、产物分离成本高。因此，开发一种具备能耗低且产物易于分离的新途径, 是木质纤维素生物质能源化的迫切需求。

基于此，元勇军教授团队开发了一种光热催化重整木质纤维素生物质制氢技术，该技术以含有Lewis酸性位点的MoS2为催化剂，实现了将生物质能转换为易于分离的氢能。为了提高光热催化剂的性能，研究团队通过调节硫源与钼源的比例(定义为S/Mo比)，实现调节MoS2催化剂Lewis酸点的数量。在较高的S/Mo比下，过量的S会使得MoS2存在较多的缺陷，从而导致MoS2生长成为具有更多层数和更少Lewis酸点的3D结构(图1a所示)。另一方面，在较低的S/Mo比下，MoS2催化剂存在的缺陷较少，使得MoS2以2D纳米花结构的形式定向生长，该结构具有较少的层数和更丰富的Lewis酸点。同时，较低的S/Mo有利于形成1T-2H相MoS2，1T与2H相界面存在丰富的缺陷（有效的Lewis酸点），进一步增加了MoS2催化剂的Lewis酸点的数量(图1b-1f)。

图1. (a) MoS2催化剂合成示意图；(b-f) MoS2催化剂球差HAADF-STEM 图，1T与2H相MoS2结构示意图; (g-i) MoS2催化剂光热催化重整木质纤维素生物质制氢性能曲线图。

图2. (a-f) DFT模拟MoS2催化剂化学吸附有机底物及其自由能变化; (g) MoS2催化剂光热催化重整木质纤维素生物质制氢可能的反应机理。

由于Lewis酸点是木质纤维素氧化分解的有效活性位点， 同时MoS2也是一种优异的析氢反应催化剂，且该材料存在宽的光谱响应和良好的光热转换能力，使MoS2成为一种有潜力的光热催化剂。如图1g-1i所示，以MoS2为光热催化剂，在碱性水溶液中实现了光热催化重整木质纤维素生物质制氢。 MoS2催化剂在杨树木屑、竹子、稻秆、玉米芯和稻壳等生物质粉末的碱性水溶液中表现出良好的光热催化制氢性能，在300 W氙灯照明下的杨树木屑体系中，MoS2催化剂析氢速率达到了3661 μmol•h-1•g-1，光-氢转换效率达到了0.18%。同时，以吡喃葡萄糖为模拟底物，通过DFT理论计算表明MoS2的Lewis酸性位点可以与底物O原子结合，弱化了底物中的C-O键，使底物发生分解(图2所示)。 

     该成果得到了国家自然科学基金和浙江省属高校基本科研业务费的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03947。