上海交大周宝文副教授课题组在绿色合成气领域取得突破

近日，上海交大机械与动力工程学院新能源动力研究所黄震院士团队周宝文副教授在Angew. Chem. Int. Edit.上发表了题为“Binary Iron-Manganese Cocatalyst for Simultaneous Activation of C-C and C-O Bonds to Maximally Utilize Lignin for Syngas Generation over InGaN”的研究论文。该研究通过InGaN纳米线/Si组装体担载的Fe-Mn二元非金属催化剂，同时活化木质素丰富的C-C和C-O键，实现太阳光驱动木质素和水高效转化制绿色合成气，光→燃料的能量效率达到11.8%。上海交大机械与动力工程学院新能源动力研究所2021级硕士生俞天奇、加拿大麦吉尔大学博士生Ying Zhao为论文第一作者，周宝文副教授、加拿大麦吉尔大学Jun Song教授为共同通讯作者。

合成气（CO和H2的混合物）是现代工业生产液态燃料的基础原料，传统生产过程能耗高、二氧化碳排放严重。探索碳中性可持续的合成气供应方案对于未来重载大功率长航程能源动力装备脱碳具有重要意义。木质纤维素是地球规模最大的可再生碳氢资源，年产量约1800亿吨。而全球每年制浆造纸工业废水排放的木质素——木质素纤维素的三大组分之一，高达5000万吨以上，不仅严重污染环境，而且造成资源的极大浪费。太阳能驱动木质素和水制绿色合成气有望为碳中性液态燃料的可持续供应提供新的解决方案，开发新一代人工光合成器件是这一课题的关键。

图1. InGaN纳米线/Si组装体担载Fe-Mn二元非贵金属活化木质素C-C和C-O键制合成气示意图

本文通过铁锰(Fe-Mn)二元纳米颗粒修饰的铟掺杂氮化镓(InGaN)纳米线/Si人工光合成器件，利用太阳光激发产生的高能载流子，同时活化木质素分子丰富的C-C键和C-O键，有助于充分利用木质素的不同官能团制备绿色合成气（图1）。

图2 InGaN纳米线/硅组装体担载Fe-Mn二元非贵金属活化木质素C-C和C-O键制备合成气机理研究

Fe-Mn纳米颗粒修饰的InGaN纳米线/Si组装体在太阳光子的激发下，利用半导体组装体产生的光生空穴有效活化断裂木质素分子中的OCH3的C-O键和CH2CH2-CH3的C-C键，释放出•CH3，随之与水分解产生的•OH自由基经过系列演变最后生成CO和H2。同位素标记、原位谱学表征以及理论计算揭示了木质素和水分子演变成合成气的反应路径（图2）。研究发现，合成气主要来源于木质素衍生的•CH3和水氧化产生的•OH。模型化合物活性以及C-C键和C-O键断裂能大小的比较，进一步证实Fe-Mn二元助催化剂可同时断裂木质素的C-C和C-O键，使最大化利用木质素不同官能团制备绿色合成气成为可能。

本文开发了一种同时活化C-C键和C-O键的Fe-Mn二元非贵金属催化剂，利用InGaN纳米线/Si组装体出色的光子学和电子学性能，实现太阳能驱动木质素和水高效制备绿色合成气。

周宝文副教授致力于面向碳中和的能源器件-系统-解决方案，开展人工光合作用、绿氢和可再生合成燃料、化学储能与下一代电池技术、废弃物资源化利用的研究，近3年来以通讯作者身份在Nat. Catal., PNAS., Nat. Commun.等期刊发表论文30余篇，授权发明专利3件。该研究得到了国家重点研发计划氢能技术重点专项、国家自然科学优秀青年基金（海外）、上海市基础研究特区计划、上海交通大学-国土自然资源部第二海洋研究所“深蓝计划”项目等资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202413528