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含有{Fe4O4}等立方烷结构的仿生多酸放氧催化剂设计合成与催化性能研究

批准号:
22075119
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
丁勇
依托单位:
学科分类:
光能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
丁勇

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
学习和借鉴自然光合作用Mn4CaO5团簇,研制仿生水裂解放氧催化剂具有重要的科学意义和潜在的应用价值。含立方烷单元{M4O4}结构类似于Mn4CaO5中心的部分多酸表现出很好的放氧性能,前期报道主要集中于活性位点是Mn、Co、Ni的立方烷多酸催化剂。位于同一周期的Fe、Cu、V构成的立方烷多酸是否具有放氧活性尚不清楚。前期我们在钴基立方烷多酸以及非立方烷多酸放氧催化剂方面开展了许多研究,本项目拟在此基础上设计合成含有立方烷结构单元{Fe4O4}、{Cu4O4}、{V4O4}和{Nb4O4}或片段且具有放氧活性的新型多酸分子催化剂。采用简单金属盐与多酸配体直接组装以及缺位多酸配体与本身已含有立方烷结构单元的多酸进行组装调控来合成,揭示立方烷多酸的合成规律以及放氧性能构效关系的本质。通过光谱学、电化学等方法建立多酸光催化放氧反应的机理。为模拟自然光合作用放氧催化中心提供新的范例与借鉴。
英文摘要
The photosynthetic Mn4CaO5cluster in PS II of plant is the sole biocatalyst that makes use of solar energy to split water efficiently and safely, releasing electrons, protons and oxygen. Learning from this organism Mn4CaO5 cluster and developing bionic water cracking catalyst has important scientific significance and potential application value. It is also an important and challenging scientific frontier. Polyoxometalates (POMs) containing {M4O4} cubic structural units that are similar with Mn4CaO5cluster are good biomimetic water oxidation catalysts and their active sites are mainly concentrated in Mn, Co and Ni metals. In the early stage, we carried out a lot of research on cobalt-based cubic POMs and non-cubic POMs water oxidation catalysts. On this basis, this project intends to design and synthesize new POM molecular catalysts with oxygen-producing activity containing cubic alkane structural units {Fe4O4}、{Cu4O4}、{V4O4} and {Nb4O4} or fragments. The synthesis strategy adopts the direct assembly of simple metal salts and POM ligands. Another route is the lacunary POM ligands are assembled with POMs that already contained cubic units. The synthesis of cubic POMs and the nature of the structure-activity relationship of oxygen-producing properties will be revealed. The mechanism of photocatalytic water oxidation of POM molecular catalysts will be established through various spectral characterization, electrochemical methods and theoretical calculation. The implementation of the project will provide a new example for the oxygen-releasing catalytic center of natural photosynthesis.
合成了含有{Fe4O4}立方烷结构的多酸分子催化剂Na21[NaFe15(OH)12(PO4)4(A-α-SiW9O34)4]·85H2O,并用于染料敏化体系进行光催化水氧化反应。5.0 mM Na2S2O8为牺牲电子受体,1.0 mM的[Ru(bpy)3]Cl2为光敏剂,催化剂浓度为20 μM,15 mL 80 mM pH为9.00的硼酸/硼砂缓冲溶液为溶剂。催化剂的O2产量和O2收率最高分别可达5.40 μmol和14.4%。探索合成目标多酸分子中含有{Cu4O4}结构的铜基多酸,但是没有成功。一个NiIII埋嵌的多钒氧酸盐K2H5[NiV14O40]·19H2O,可以作为水氧化催化剂。这是第一个全无机的在温和水溶液环境中生长的多钒氧酸盐。其中具有单缺位Lindqvist单元{V5O18}。合成了包含Nb/Co混合立方烷结构多酸Na6K12[H2Co8O4(Nb6O19)4]·39H2O、Na12K8[Co14(OH)16(H2O)8Nb36O106]·71H2O (NbCo-14)和K30.6[CoII8CoIII7O8(OH)3.6(H2O)6(Nb6O19)6]∙28.4H2O 。首次发现这些混合立方烷结构多酸具有高效的光催化水氧化活性。其中NbCo-14具有最佳的光催化水氧化活性,产氧量可达14.1 μmol,氧气收率达到37.6%,转化数(TON)可达498。总体完成情况良好,达到了计划书预期的研究成果目标,已发表SCI 研究论文42 篇,期中包含一区论文29篇,顶刊论文2篇(Angew. Chem. Int. Ed),授权中国发明专利一篇。国际会议论文5篇和国内会议论文19篇。毕业7名博士,11名硕士研究生。
多酸分子催化剂与半导体捕光材料耦合促进的光催化水氧化的研究
  • 批准号:
    21773096
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    丁勇
  • 依托单位:
基于多金属氧酸盐的水氧化制氧气的研究
  • 批准号:
    21173105
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    丁勇
  • 依托单位:
均相多金属氧酸盐催化剂的多相化、表征和催化性能的研究
  • 批准号:
    20803032
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    丁勇
  • 依托单位:
国内基金
海外基金