利用可再生電能將廢棄資源高效升級轉(zhuǎn)化為高附加值化學品是減少碳排放、緩解化石能源危機和改善環(huán)境問題的有效方法。基于上述能源背景，化工學院研究生韋雪雯在Chemical Engineering Journal期刊（中科院一區(qū)Top，影響因子13.3）發(fā)表題為“Engineeringp-dorbital hybridization in PdSb bimetallene for energy-saving H2production parallel upgrade plastic waste”的研究論文，王帥副教授為通訊作者。
圖1. PdSb bimetallene的電催化EG氧化GA性能測試
該研究工作報道了簡便的溶劑熱法制備具有p-d軌道雜化特性的缺陷豐富的褶皺結(jié)構(gòu)PdSb雙金屬烯催化劑。值得注意的是，PdSb雙金屬烯在乙二醇（EG）氧化過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性，在0.75 V電位下，乙醇酸（GA）的法拉第效率為93.4%，選擇性為92%。此外，作者還設(shè)計了一種膜電極組件（MEA）流動池，將陽極的高性能乙二醇氧化反應(yīng)（EGOR）與陰極的析氫反應(yīng)（HER）耦合在一起。實驗結(jié)果表明，在EGOR||HER系統(tǒng)中，PdSb雙金屬烯能氧化PET衍生物乙二醇生成GA選擇性為95.30%。理論計算表明，PdSb雙金屬烯通過p-d軌道雜化效應(yīng)促進了表面電子的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)了高效的EGOR。該研究為p-d軌道雜化雙金屬烯合成和內(nèi)在催化機制提供了見解，還為PET水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品以及節(jié)能制氫技術(shù)的發(fā)展提供有效策略。
圖2. PdSb bimetallene的耦合催化性能與理論分析
該研究報道的PdSb雙金屬烯催化劑得益于其獨特的p-d軌道雜化特性，顯著增加費米能級附近的電子密度，促進PdSb雙金屬烯中活性位點之間的電子轉(zhuǎn)移。p-d軌道雜化不僅能夠有效促進C?C鍵的斷裂，還能加速EG中-OH基團的快速氧化。這種優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)為PdSb雙金屬烯顯著提升EGOR性能。此外，d帶中心的變化進一步優(yōu)化反應(yīng)物和中間體在電催化過程中的吸附和解離行為，從而顯著提升催化活性。理論計算結(jié)果證實，Sb元素的引入顯著優(yōu)化Pd原子表面的電子結(jié)構(gòu)，成功增強PdSb雙金屬烯的催化性能。以上研究從微觀層面揭示了PdSb雙金屬烯催化性能增強的內(nèi)在機制，為設(shè)計具有p-d軌道雜化特性的雙功能電催化劑提供理論依據(jù)。
該研究成功合成了具有豐富缺陷褶皺結(jié)構(gòu)的p-d軌道雜化PdSb雙金屬烯。PdSb雙金屬烯獨特的結(jié)構(gòu)特征使其暴露具有更多的原子和豐富的活性位點。歸因于特殊的p-d軌道雜化作用，PdSb雙金屬烯能夠有效的將PET衍生物EG轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物GA，且GA的法拉第效率和選擇性都很高。本研究為p-d軌道雜化雙金屬烯雙功能催化劑的設(shè)計提供了新的視角，旨在促進PET水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品并為節(jié)能制氫做出貢獻。
論文信息/論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155104
