近日，我校物理學院張昕彤教授團隊在液相等離子體合成領域取得系列研究進展。等離子體合成是指在氣體或液體中通過高電壓產生等離子體狀態，從而實現分子激發和化學反應的過程。隨著全球低碳目標地不斷推進，等離子體放電驅動的催化技術引起了研究者們越來越多的關注。與光催化和弱電驅動催化等其它清潔技術相比，高壓等離子體放電能夠更有效地激發惰性小分子，顯著降低反應勢壘，從而數量級提升惰性小分子的轉化速率。然而，等離子體激發活化小分子的反應路徑復雜多變，如何誘導活性物種進行定向反應仍然面臨挑戰。針對這一問題，張昕彤教授團隊發展了新型的液相等離子體催化技術：利用半導體催化劑在液相中的良好分散性，擴大了等離子體與催化劑的作用區域；借助半導體催化劑的介電特性，增強了等離子體放電的效果；通過對半導體催化劑進行表面工程調制，成功優化了活性物種的反應路徑。該技術在過氧化氫的清潔合成、固氮及單原子催化劑制備等方向取得了重要進展，為清潔能源驅動的小分子低碳、高效轉化提供了新思路。相關研究成果相繼發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)、《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)和《化學通訊》(Chemical Communications)等國際知名期刊上。
過氧化氫（H?O?）是一種清潔化學品，廣泛應用于造紙、消毒、環保、化工、電子和軍工等領域。目前，95%的過氧化氫生產仍依賴于蒽醌工藝，即每生產100萬噸H?O?會排放300萬噸CO?；于是尋求替代工藝、降低過氧化氫生產過程的碳排放仍是備受矚目的前沿問題。為此，該團隊提出了一種以清潔電能驅動的液相等離子體催化合成H?O?的策略。首先對40種常見的半導體催化劑進行實驗篩選，發現氮化碳材料在液相等離子體中表現出最佳的催化合成H?O?活性；進一步對68個氮化碳模型的高通量密度泛函進行計算，并使用29個描述符建立機器學習模型，優化得到了氰基表面修飾的氮化碳為最佳催化劑構型；最終，液相等離子體催化合成H?O?的累積濃度達到了20 mmol L?1，比目前報道的氮化碳光催化水平高出兩個數量級。機理分析表明，該液相等離子體催化體系能夠誘導氧分子激發為單線態氧，從而顯著提升H?O?的產率，這為H?O?的合成提供了一種既高效又可持續的新視角。該成果以“Sustainable H2O2 Production via Solution Plasma Catalysis” 為題，自由投稿發表于國際著名期刊PNAS；論文的第一作者為物理學院博士研究生梁爽、吳琦；通訊作者為物理學院張昕彤教授、王長華副教授。
圖1：液相等離子體催化制備過氧化氫成果相關圖
氮肥是農業生產的基礎，但傳統的固氮方法-哈伯法會產生大量溫室氣體，即每生產1噸氨排放1.9噸二氧化碳，氨生產過程中總的二氧化碳排放量約占全球碳排放的1.8%。因此，開發清潔高效的固氮技術具有重要意義。該團隊研發了一種過渡金屬氫氧化物輔助的液相等離子體固氮技術。在等離子體放電過程中，添加Co(OH)?成功緩解了固氮過程中的溶液酸化，延長了放電時間，為氮的等離子體轉化創造了可持續的環境，實現了9.42 mmol L-1的NOx-濃度，超過了商業營養液對氮含量的要求。該成果以“Solution Plasma-Cobalt Hydroxide-Enabled Nitrogen Fixation”為題，發表于國際期刊Chem. Comm.（2024, 60, 6893）；論文的第一作者為物理學院碩士研究生歐陽文婷、師資博士后杜京倫；通訊作者為物理學院的張昕彤教授、王長華副教授。王長華副教授同時還入選了該期刊2024年的先鋒學者（Pioneering Investigator）。
單原子催化劑因其高原子利用率、特殊電子結構和強金屬-載體相互作用，已成為催化領域的研究熱點。然而，傳統的單原子制備方法通常采用載體預先缺陷化、再錨定金屬單原子的策略，這導致金屬還原度低、載體錨定弱，從而限制了催化劑的活性和穩定性。為此，該團隊在前期液相等離子體間歇制備單原子Au/CeO2催化劑的基礎上Adv. Funct. Mater.（2022, 32, 2207694），進一步發展了連續流制備單原子催化劑技術，在0.03 s的停留時間即可實現97%以上的金屬前驅體捕獲效率，成功制得了CeO2基單原子Au、Rh、Pd、Ru和Pt催化劑以及Au1Rh1/CeO2和Au1Pd1/CeO2雙原子催化劑。該連續流溶液等離子體方法利用清潔電力，能夠連續生產單原子催化劑，具備原子經濟性和無需添加還原劑等優點，為單原子催化劑的程序化和綠色合成提供了有效途徑。該成果以“Continuous-Flow Solution Plasma for the Atom-Economic Synthesis of Single/Dual-Atom Catalysts” 為題，發表于國際著名期刊Adv. Funct. Mater.（2024, 34, 2407276）；論文的第一作者為物理學院博士畢業生邢艷梅；通訊作者為物理學院張昕彤教授、王長華副教授。
圖2：液相等離子體制備單原子催化劑成果相關圖
以上研究得到了國家自然科學基金、吉林省科技廳重點研發等項目的支持。
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https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410504121
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cc/d4cc02102a
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202407276
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202207694
