基于立方烷结构的分子催化剂在光催化水氧化中的研究进展

孙万军 林军奇 梁向明 杨峻懿 马宝春 丁勇

引用本文: 孙万军, 林军奇, 梁向明, 杨峻懿, 马宝春, 丁勇. 基于立方烷结构的分子催化剂在光催化水氧化中的研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1905025-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905025 shu
Citation:  Sun Wanjun, Lin Junqi, Liang Xiangming, Yang Junyi, Ma Baochun, Ding Yong. Recent Advances in Catalysts Based on Molecular Cubanes for Visible Light-Driven Water Oxidation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(3): 1905025-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905025 shu

基于立方烷结构的分子催化剂在光催化水氧化中的研究进展

    作者简介:




    丁勇,教授,博士生导师,甘肃省飞天学者特聘教授。主要从事光催化以及光电催化水的氧化和水的还原以及多酸催化化学。2004年12月于中国科学院兰州化学物理研究所获得博士学位,之后加盟兰州大学化学化工学院。2009年12月至2011年01月在美国埃默里大学化学系访学。现任Chinese Journal of Catalysis青年编委,中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室客座研究员。至今在SCI学术刊物上发表研究论文100余篇;
    通讯作者: 丁勇, dingyong1@lzu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21773096, 21572084), 兰州大学中央高校基本科研业务费(lzujbky-2018-k08), 甘肃省自然科学基金(17JR5RA186)和甘肃省高等学校科学研究(2018A-123)项目资助

摘要: 随着化石燃料大量使用带来的气候变化和环境污染问题日趋严重,寻找清洁高效的可再生能源用做传统化石燃料的替代品,已经成为当前的研究热点。光驱动的水分解反应被认为是太阳能制氢的可行途径。水的全分解包括两个半反应-水的氧化和质子还原。其中水的氧化反应是一个涉及四个电子和四个质子转移的复杂过程,需要很高的活化能,被认为是全分解水反应的瓶颈步骤。因此,开发高效、稳定、廉价丰产的水氧化催化剂是人工光合作用突破的关键因素。立方烷具有类似自然界光合作用酶光系统Ⅱ(PSⅡ)活性中心Mn4CaO5簇的结构,世界各国的科学家受自然界光合作用的启发,开发出了许多基于过渡金属的立方烷结构的催化剂,常见的有锰、钴和铜等立方烷催化剂。本文简要地综述了近年来立方烷分子催化剂在光催化水氧化中的研究进展。首先介绍了立方烷基光催化水氧化反应历程,继而详细介绍了基于有机配体的立方烷配合物和全无机的多金属氧酸盐立方烷水氧化催化剂,其次是半导体(BiVO4或聚合的氮化碳(PCN))为捕光材料复合立方烷分子催化剂的水氧化体系最新研究进展。最后总结并展望了该领域所面临的挑战及其前景。

English

    1. [1]

      Berardi, S.; Drouet, S.; Francàs, L.; Gimbert-Suriñach, C.; Guttentag, M.; Richmond, C.; Stoll, T.; Llobet, A. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7501. doi: 10.1039/c3cs60405e

    2. [2]

      Song, F.; Ding, Y.; Ma, B.; Wang, C.; Wang, Q.; Du, X.; Fu, S.; Song, J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1170. doi: 10.1039/C3EE24433D

    3. [3]

      Gong, J.; Li, C.; Wasielewski, M. R. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 1862. doi: 10.1039/c9cs90020al

    4. [4]

      Wang, J. -W.; Zhong, D. -C.; Lu, T. -B. Coord. Chem. Rev. 2018, 377, 225. doi: 10.1016/j.ccr.2018.09.003

    5. [5]

      肖岸, 卢辉, 赵阳, 骆耿耿.物理化学学报, 2016, 32 (12), 2968. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609194Xiao, A.; Lu, H.; Zhao, Y.; Luo, G. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32 (12), 2968.

    6. [6]

      Yu, L.; Ding, Y.; Zheng, M.; Chen, H.; Zhao, J. Chem. Commun. 2016, 52, 14494. doi: 10.1039/C6CC02728h

    7. [7]

      Dismukes, G. C.; Brimblecombe, R.; Felton, G. A.; Pryadun, R. S.; Sheats, J. E.; Spiccia, L.; Swiegers, G. F. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1935. doi:10.1021/ar900249x

    8. [8]

      Tian, T.; Gao, H.; Zhou, X.; Zheng, L.; Wu, J.; Li, K.; Ding, Y. ACS Energy Lett. 2018, 3, 2150. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01206

    9. [9]

      Zhang, B.; Sun, L. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2216. doi: 10.1039/c8cs00897c

    10. [10]

      Gersten, S. W.; Samuels, G. J.; Meyer, T. J. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 4029. doi: 10.1021/ja00378a053

    11. [11]

      Umena, Y.; Kawakami, K.; Shen, J. -R.; Kamiya, N. Nature 2011, 473, 55. doi: 10.1038/nature09913

    12. [12]

      Zhang, C. X.; Chen, C. H.; Dong, H. X.; Shen, J. R.; Dau, H.; Zhao, J. Q. Science 2015, 348, 690. doi: 10.1126/science.aaa6550

    13. [13]

      Kok, B.; Forbush, B.; McGloin, M. Photochem. Photobiol. 1970, 11, 457. doi: 10.1111/j.1751-1097.1970.tb06017.x

    14. [14]

      Suga, M.; Akita, F.; Sugahara, M.; Kubo, M.; Nakajima, Y.; Nakane, T.; Yamashita, K.; Umena, Y.; Nakabayashi, M.; Yamane, T.; et al. Nature 2017, 543, 131. doi: 10.1038/nature21400

    15. [15]

      Suga, M.; Akita, F.; Hirata, K.; Ueno, G.; Murakami, H.; Nakajima, Y.; Shimizu, T.; Yamashita, K.; Yamamoto, M.; Ago, H.; et al. Nature 2015, 517, 99. doi: 10.1038/nature13991

    16. [16]

      Chen, C.; Chen, Y.; Yao, R.; Li, Y.; Zhang, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3939. doi: 10.1002/anie.201814440

    17. [17]

      Lin, J.; Han, Q.; Ding, Y. Chem. Rec. 2018, 18, 1531. doi: 10.1002/tcr.201800029

    18. [18]

      Buriak, J. M.; Kamat, P. V.; Schanze, K. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 11815. doi: 10.1021/am504389z

    19. [19]

      Lin, J.; Meng, X.; Zheng, M.; Ma, B.; Ding, Y. Appl Catal B: Environ 2019, 241, 351. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.052

    20. [20]

      Parent, A. R.; Crabtree, R. H.; Brudvig, G. W. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2247. doi: 10.1039/C2CS35225G

    21. [21]

      Yamada, Y.; Yano, K.; Hong, D.; Fukuzumi, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 5753. doi: 10.1039/c2cp00022a

    22. [22]

      McCool, N. S.; Robinson, D. M.; Sheats, J. E.; Dismukes, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11446. doi: 10.1021/ja203877y

    23. [23]

      Dismukes, G. C.; Brimblecombe, R.; Felton, G. A. N.; Pryadun, R. S.; Sheats, J. E.; Spiccia, L.; Swiegers, G. F. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1935. doi: 10.1021/ar900249x

    24. [24]

      Smith, P. F.; Kaplan, C.; Sheats, J. E.; Robinson, D. M.; McCool, N. S.; Mezle, N.; Dismukes, G. C. Inorg. Chem. 2014, 53, 2113. doi: 10.1021/ic402720p

    25. [25]

      Dimitrou, K.; Folting, K.; Streib, W. E.; Christou, G. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6432. doi: 10.1021/ja00067a077

    26. [26]

      Sumner, E. C. Inorg. Chem. 1988, 27, 1320. doi: 10.1021/ic00281a004

    27. [27]

      La Ganga, G.; Puntoriero, F.; Campagna, S.; Bazzan, I.; Berardi, S.; Bonchio, M.; Sartorel, A.; Natali, M.; Scandola, F. Faraday Discuss. 2012, 155, 177. doi: 10.1039/c1fd00093d

    28. [28]

      Berardi, S.; La Ganga, G.; Natali, M.; Bazzan, I.; Puntoriero, F.; Sartorel, A.; Scandola, F.; Campagna, S.; Bonchio, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11104. doi: 10.1021/ja303951z

    29. [29]

      Zhou, X.; Li, F.; Li, H.; Zhang, B.; Yu, F.; Sun, L. ChemSusChem 2014, 7, 2453. doi: 10.1002/cssc.201402195

    30. [30]

      Ullman, A. M.; Liu, Y.; Huynh, M.; Bediako, D. K.; Wang, H.; Anderson, B. L.; Powers, D. C.; Breen, J. J.; Abruña, H. D.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 17681. doi: 10.1021/ja5110393

    31. [31]

      Nguyen, A. I.; Ziegler, M. S.; Oña-Burgos, P.; Sturzbecher-Hohne, M.; Kim, W.; Bellone, D. E.; Tilley, T. D. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12865. doi: 10.1021/jacs.5b08396

    32. [32]

      Wang, H. -Y.; Mijangos, E.; Ott, S.; Thapper, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 14499. doi: 10.1002/anie.201406540

    33. [33]

      Wang, J. -W.; Sahoo, P.; Lu, T. -B. ACS Catal. 2016, 6, 5062. doi: 10.1021/acscatal.6b00798

    34. [34]

      Evangelisti, F.; More, R.; Hodel, F.; Luber, S.; Patzke, G. R. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11076. doi: 10.1021/jacs.5b05831

    35. [35]

      Folkman, S. J.; Soriano-Lopez, J.; Galan-Mascaros, J. R.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12040. doi: 10.1021/jacs.8b06303

    36. [36]

      Evangelisti, F.; Guttinger, R.; More, R.; Luber, S.; Patzke, G. R. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18734. doi: 10.1021/ja4098302

    37. [37]

      Song, F.; Moré, R.; Schilling, M.; Smolentsev, G.; Azzaroli, N.; Fox, T.; Luber, S.; Patzke, G. R. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14198. doi: 10.1021/jacs.7b07361

    38. [38]

      Xie, W. -F.; Guo, L. -Y.; Xu, J. -H.; Jagodič, M.; Jagličić, Z.; Wang, W. -G.; Zhuang, G. -L.; Wang, Z.; Tung, C. -H.; Sun, D. Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 2016, 3253. doi.10.1002/ejic.201600510

    39. [39]

      Xu, J. -H.; Guo, L. -Y.; Su, H.-F.; Gao, X.; Wu, X. -F.; Wang, W. -G.; Tung, C. -H.; Sun, D. Inorg. Chem. 2017, 56, 1591. doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b02698

    40. [40]

      Zhao, Y.; Lin, J.; Liu, Y.; Ma, B.; Ding, Y.; Chen, M. Chem. Commun. 2015, 51, 17309. doi:10.1039/C5CC07448g

    41. [41]

      Jiang, X.; Li, J.; Yang, B.; Wei, X. Z.; Dong, B. W.; Kao, Y.; Huang, M.; Tung, C.; Wu, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7850. doi: 10.1002/anie.201803944

    42. [42]

      Lin, J.; Liang, X.; Cao, X.; Wei, N.; Ding, Y. Chem. Commun. 2018, 54, 12515. doi: 10.1039/c8cc06362a

    43. [43]

      宋芳源, 丁勇, 赵崇超.化学学报, 2014, 72, 133. doi: 10.6023/a13101052Song, F.; Ding, Y.; Zhao, C. Acta Chim Sinica 2014, 72, 133.

    44. [44]

      Lv, H.; Geletii, Y. V.; Zhao, C.; Vickers, J. W.; Zhu, G.; Luo, Z.; Song, J.; Lian, T.; Musaev, D. G.; Hill, C. L. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 7572. doi: 10.1039/C2CS35292C

    45. [45]

      Du, X.; Zhao, J.; Mi, J.; Ding, Y.; Zhou, P.; Ma, B.; Zhao, J.; Song, J. Nano Energy 2015, 16, 247. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.06.025

    46. [46]

      Yu, L.; Ding, Y.; Zheng, M. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 209, 45. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.02.061

    47. [47]

      Yu, L.; Lin, J.; Zheng, M.; Chen, M.; Ding, Y. Chem. Commun. 2018, 54, 354. doi: 10.1039/C7CC08301G

    48. [48]

      Du, X.; Ding, Y.; Song, F.; Ma, B.; Zhao, J.; Song, J. Chem. Commun. 2015, 51, 13925. doi: 10.1039/c5cc04551g

    49. [49]

      Yin, Q.; Tan, J. M.; Besson, C.; Geletii, Y. V.; Musaev, D. G.; Kuznetsov, A. E.; Luo, Z.; Hardcastle, K. I.; Hill, C. L. Science 2010, 328, 342. doi: 10.1126/science.1185372

    50. [50]

      Han, Z.; Bond, A. M.; Zhao, C. Sci. China Chem. 2011, 54, 1877. doi: 10.1007/s11426-011-4442-4

    51. [51]

      Sartorel, A.; Carraro, M.; Scorrano, G.; Zorzi, R. D.; Geremia, S.; McDaniel, N. D.; Bernhard, S.; Bonchio, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5006. doi: 10.1021/ja077837f

    52. [52]

      Geletii, Y. V.; Botar, B.; Kögerler, P.; Hillesheim, D. A.; Musaev, D. G.; Hill, C. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3896. doi: 10.1002/anie.200705652

    53. [53]

      Geletii, Y. V.; Huang, Z.; Hou, Y.; Musaev, D. G.; Lian, T.; Hill, C. L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7522. doi: 10.1021/ja901373m

    54. [54]

      Han, X. -B.; Zhang, Z. -M.; Zhang, T.; Li, Y. -G.; Lin, W.; You, W.; Su, Z. -M.; Wang, E.-B. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5359. doi: 10.1021/ja412886e

    55. [55]

      Du, P.; Kokhan, O.; Chapman, K. W.; Chupas, P. J.; Tiede, D. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11096. doi: 10.1021/ja303826a

    56. [56]

      Wei, J.; Feng, Y.; Zhou, P.; Liu, Y.; Xu, J.; Xiang, R.; Ding, Y.; Zhao, C.; Fan, L.; Hu, C. ChemSusChem 2015, 8, 2630. doi: 10.1002/cssc.201500490

    57. [57]

      Chen, W. C.; Wang, X. L.; Qin, C.; Shao, K. Z.; Su, Z. M.; Wang, E. B. Chem. Commun. 2016, 52, 9514. doi: 10.1039/c6cc03763a

    58. [58]

      Al-Oweini, R.; Sartorel, A.; Bassil, B. S.; Natali, M.; Berardi, S.; Scandola, F.; Kortz, U.; Bonchio, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11182. doi: 10.1002/anie.201404664

    59. [59]

      Schwarz, B.; Forster, J.; Goetz, M. K.; Yücel, D.; Berger, C.; Jacob, T.; Streb, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6329. doi: 10.1002/anie.201601799

    60. [60]

      Han, X. -B.; Li, Y. -G.; Zhang, Z. -M.; Tan, H. -Q.; Lu, Y.; Wang, E. -B. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 5486. doi: 10.1021/jacs.5b01329

    61. [61]

      Stewart, A. C.; Bendall, D. S. Biochem. J. 1980, 188. 351. doi: 10.1042/bj1880351

    62. [62]

      Xiang, R.; Ding, Y.; Zhao, J. Chem. Asian J. 2014, 9, 3228. doi: 10.1002/asia.201402483

    63. [63]

      Probs, B.; Kolano, C.; Hamm, P.; Alberto, R. Inorg. Chem. 2009, 48, 1836. doi: 10.1021/ic8013255

    64. [64]

      Liang, X.; Lin, J.; Cao, X.; Sun, W.; Yang, J.; Ma, B.; Ding, Y. Chem. Commun. 2019, 55, 2529. doi: 10.1039/c8cc09807g

    65. [65]

      Ye, C.; Wang, X. -Z.; Li, J. -X.; Li, Z. -J.; Li, X. -B.; Zhang, L. -P.; Chen, B.; Tung, C. -H.; Wu, L. -Z. ACS Catal. 2016, 6, 8336. doi: 10.1021/acscatal.6b02664

    66. [66]

      Li, Y.; Kong, T.; Shen, S. Small 2019, 1900772. doi: 10.1002/smll.201900772

    67. [67]

      常晓侠, 巩金龙.物理化学学报, 2016, 32 (1), 2. doi: 10.3866/PKU.WHXB201510192Chang, X. X.; Gong, J. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32 (1), 2.

    68. [68]

      Wang, Y.; Li, F.; Li, H.; Bai, L.; Sun, L. Chem. Commun. 2016, 52, 3050. doi: 10.1039/c5cc09588c

    69. [69]

      Ye, S.; Chen, R.; Xu, Y.; Fan, F.; Du, P.; Zhang, F.; Zong, X.; Chen, T.; Qi, Y.; Chen, P.; et al. J. Catal. 2016, 338, 168. doi: 10.1016/j.jcat.2016.02.024

    70. [70]

      Luo, Z. S.; Zhou, M.; Wang, X. C. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 238, 664. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.07.056

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  54
  • HTML全文浏览量:  1
文章相关
  • 收稿日期:  2019-05-06
  • 接受日期:  2019-06-20
  • 修回日期:  2019-06-11
  • 网络出版日期:  2020-03-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章