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Spotlight Research–Nature Catalysis 生物质制氢的重要进展

今天的研究聚焦,是来自西安交大前沿院李洋研究员课题组的最新研究。这一研究是李洋研究员团队和Matthias Beller教授课题组合作,发表在Nature Catalysis杂志上的一篇工作(我们之前的帖子也介绍过这个今年才创刊的杂志)。文章一经发表,受到各个媒体平台的highlight报道。论文标题是“生物质制氢”,我想大多数和我一样从事有机化学的同人乍一看这个标题很难想象它和催化有什么关系。。。但是如果你读过论文,你会发现,这绝对是一类“有用”的催化反应,而且作为有机催化反应的原料竟然如此的接地气!

这项研究前后花了三年的时间,工作做得真是细致,尽管李洋研究员谦虚的说这一工作离实际应用还有一定的距离,仍需要努力克服很多困难,但这是有机化学工作者将生物质通过催化反应转化成氢能源制的一次勇敢的挑战,先给李洋研究员和参与工作的所有学生点个大大的赞吧!

下面请本文的作者郭晏君同学来讲讲她和生物质制氢的故事吧!

Streamlined hydrogen production from biomass

Ping Zhang, Yan-Jun Guo, Jianbin Chen, Yu-Rou Zhao, Jun Chang, Henrik Junge, Matthias Beller* & Yang Li*

Nature Catalysis 2018, 1, 332–338.  doi:10.1038/s41929-018-0062-0

 

Q1. 作为这一次的采访对象,自己先简单介绍一下你的研究吧!

A:氢能源是一种清洁高效的能源,备受世界范围内引起广泛关注,但是如何实现大规模低能耗、高效及高选择性地从可持续资源制备氢气仍然是氢能源利用中亟待解决的一个关键问题。

图片来自论文

我们组和德国莱布尼茨催化研究所Matthias Beller教授课题组合作,经过近三年的研究,发展了利用非粮生物质,如麦秆、玉米秆、水稻秆、芦苇 、甘蔗渣、竹屑,以及日常生活垃圾,如硬纸板、废报纸为原料,通过串联160 °C下把生物质中的主要成份纤维素和半纤维素转化为甲酸的“氧化催化”和90 °C 下生物质水解氧化反应液放氢的“还原催化”,期间无需纯化,即“一锅两步法”进行制氢,产率高达95%; 伴生的二氧化碳(CO2)经碱液捕获转化为碳酸盐,产生的一氧化碳(CO)及甲烷(CH4)的含量分别不超过22 ppm及2 ppm;直接应用于氢燃料电池转化为电能。实现了相对温和条件下高效高选择性地制氢。该制氢路线可以进行实验室规模的10克级放大反应。这篇工作也被选为了封面文章。

图片来自Nature Catalysis

Q2. 对于本研究课题,谈谈自己在其中参与的部分或者融入自己想法的地方。

A:这个课题是我们课题组的博士后张萍老师和我的共同一作。我刚进课题组的时候张老师已经在做这个课题了,并有了一点进展。我进来就一直和张老师做这个课题,从开始两步条件筛选,到催化剂的合成和尝试,甚至是反应装置的搭建都是我和张老师共同完成的。

Q3. 这个研究的最难的地方是什么?你是怎么克服它的呢?

A:最难的地方有2个:一是 “一锅两步法”思路的形成。张老师刚开始做这个课题时始于之前李老师在德国的一步脱氢反应机理研究,但在对制氢产率不超过2%的黑乎乎的粘稠状反应产物体系进行成分分析时,就遇到了很大的困难,几经周折,也几乎没有进展。后来,李老师提出了先将生物质高产率地转化为的甲酸,再由甲酸体系制取氢气的 “一锅两步法”的思路,经过张老师和我的尝试,使得该项研究“柳暗花明又一村”

二是在找第二步合适催化剂的时候花了很长的时间。文献中也有不少做甲酸分解制氢的,但是由于我们的“一锅两步法”反应体系前一步经历氧化催化水解反应,因此能够兼容到这种串联体系的脱氢还原催化剂是有局限性的。我们筛选了大量的脱氢催化剂,也合成了一些新的催化剂。经过数百次反复试验,终于寻找到了能够兼容“一锅两步”体系的高效、高选择性的制氢催化剂。

 

Q4. 将来想从事什么样和化学相关的研究?

A:新能源的发现和发展一直现今社会一直关注和想突破的领域。所以我也想继续探索新能源的领域。接下来我还会继续探索成本更低的生物质的转化方法,希望为推动实际新能源发展和化工生产应用中的革新做出小小的贡献。

 

Q5. 最后、有没有对读者说的话?

A:首先,谢谢李洋老师和张萍老师的悉心指导,也非常感谢实验室的每个成员及周围小伙伴陪伴的支持。

这个课题本身的实验难度并不高,看似每天做几乎同样的工作,就这样过了三年。回头看也是很不可思议的一段经历。在这其中,我感受最深的就是坚持就是胜利。复杂的生物质体系和高压的黑箱反应,就算是确定了反应的最佳条件也不能做到每次完美的重复。但是李老师说过,没有不能重复的实验,一定是反应中哪一步没有控制好。我便更加细致的控制每一个步骤:反应前的搅拌时间,反应釜开始的内外温度,升温的时间。所有可能导致变化的数据均控制在比较精细的范围内。有时候外部一点点条件的变化都很有可能导致反应达不到理想结果,中间真的都是有放弃的念头了,但还是坚持下来了,也最终能比较普遍的重复出实验来。

所以我还是要说坚持就是胜利,静下心来分析每一点细微的变化,最终会得到想要的结果的。大家加油!

课题组合影 前排 张萍教授(左二),李洋研究员(正中), 郭晏君(右二)

 

郭晏君(Yan-Jun Guo)

简历:2011-2015 西北大学 化学与材料科学学院 化学基地班

2015- 西安交通大学前沿科学技术学院 有机化学中心 绿色有机催化实验室 博士二年级 (导师 李洋 研究员)

 

相关链接

生物质制氢的重要进展 (X-mol)

前沿院李洋课题组在生物质制氢研究中取得重要进展( FIST新闻)

 

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土生土长西安人,本+硕在陕师大,博士在日本冈山大学取得,博后在名古屋大学ITbM研究所伊丹研究室,有机化学研究生涯3+3+3,现职于西安交通大学理学院。擅长金属催化的偶联反应,博后期间开始合成糖化学,还有碳氢键活化研究。喜欢语言,旅游,网络,音乐,当然最最喜欢的还是化学。现为化学空间员工代表,小编兼美术。 自我描述:师范大学子弟,从小就在家门口上学,也没吃过什么苦,没想到学有机化学的这些年,高强度的实验把我锻炼成了不折不挠的女汉子。硕士毕业留学日本一待就快六年,坚持下来很佩服自己,而且也越来越喜欢有机化学了。 身为化学空间的员工代表,想把化学空间做成“化学人儿”的平台,也希望更多学化学,爱化学的人加入我们,用我们的力量让更多人能感受到化学的魅力。

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