光电化学转化的气/液两相流动池

由太阳能驱动的光电化学（PEC）转化体系，是生产高附加值化学品的有效途径。很多光电化学反应涉及气、液、固三相，包括气相的反应物/产物、液相的水/电解液/产物、固态的光电催化剂/电极。在现有光电化学装置中，气/液/固三相界面上的传质和电子传输十分缓慢，极大地限制了光电化学转化的实际应用。为解决该瓶颈问题，急需开发用于增强传质与电子运输的光电化学流动池，其核心在于其中的光电扩散电极材料。光电扩散电极需要具备良好的光吸收能力、导电性、催化活性、三相界面上的气/液快速扩散、高速流动下的自支撑稳定性，然而目前报道的材料无法同时满足这些要求。

为此，作者在模拟指导设计下，开发了首款用于光电化学流动池的多相扩散光电极，显著提高了气/液相光电化学流动转化的物质传输，并且保证了界面处的快速电子转移。具体地，作者通过多级设计克服了半导体氧化物的本征脆性，将具有光电活性的半导体纳米晶组装成为可承受高速流体流动的自支撑、强韧纳米纤维膜。纤维膜具有多级传质孔道、亲电解液/亲气体反应物的双亲三相界面、宽波段光吸收、较高导电率等特性，使其可直接用于多相光电化学流动池。作者以中国海域丰富且重要的资源——甲烷气体的光电化学转化作为反应模型，基于设计的光电扩散电极及流动池，在流动反应下甲烷转化的产率提升到传统间歇反应的16.6倍，产物选择性提高到4倍，并表现出优异的长效稳定性。这项工作为多相光电化学流动转化的设计提供了新的思路，有助于光电化学转化向大规模生产升级。

图1. 甲烷光电化学流动转化的多级纤维膜结构设计。图片来源：Nat. Commun.

为了通过多相流动达到甲烷、水/电解液和催化剂/光电极之间的接触最大化，作者首先在CFD流体模拟与MD模拟下设计了用于增强传质的交织纤维三相界面和孔道结构。

图2. 纤维膜的机械性能表征。图片来源：Nat. Commun.

具有目标结构的纤维膜满足光电化学流动扩散电极的机械性能，可承受高通量多相流动。此外，其还具有拓宽波段范围的光吸收、透光可调性以及良好的导电性质，保证了有效光吸收与电子传输。且透光性质可解决多层电极材料的光路限制。甲烷气体可以快速亲和并扩散进入纤维孔道，并且具有延长的保留时间。同时，纤维的亲水性质又可以保证光电化学转化中的质子亲和及与电解液之间的离子交换，也利于抑制气泡对位点的屏蔽效应并提高长效稳定性。

图3. 纤维膜的光、电、三相界面性质。图片来源：Nat. Commun.

图4. 流动池中纤维光电极的光电化学甲烷转化性能。图片来源：Nat. Commun.

作者将具有以上特性的扩散电极纤维膜应用到甲烷流动转化池。通过一体化三相反应界面设计及多相流传质增强，相比传统批式间歇反应，甲烷流动转化系统的光电响应电流密度增加了55%、产率增加到16.6倍、产物选择性增加到4倍。且自支撑的纤维扩散电极膜相比传统纤维/FTO光电极，稳定性显著提升，至少可稳定运行100 h。在未来，柔性且轻质的半导体纤维膜可以折叠成各种便携的、光吸收增强的结构，就地直接在可燃冰丰富储藏的海域进行附加值转化，形成漂浮的光电化学转化系统用于提供民生所需物质。

这项工作为众多多相催化反应中的增强传质、多功能材料结构的设计提供了新的思路。将为未来合理设计自支撑、柔性、便携扩散光电极提供指导，以助力大规模太阳能驱动光电化学转化。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的共同第一作者是东南大学博士后孟祥钰、东南大学研究生祝春彤和安徽师范大学青年教师王新。

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Hierarchical triphase diffusion photoelectrodes for photoelectrochemical gas/liquid flow conversion

Xiangyu Meng, Chuntong Zhu, Xin Wang, Zehua Liu, Mengmeng Zhu, Kuibo Yin, Ran Long, Liuning Gu, Xinxing Shao, Litao Sun, Yueming Sun, Yunqian Dai & Yujie Xiong

Nat. Commun., 2023, 14, 2643. DOI: 10.1038/s41467-023-38138-9

通讯作者简介

熊宇杰，中国科学技术大学讲席教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。2004至2011年先后在美国华盛顿大学（西雅图）、伊利诺伊大学香槟分校、华盛顿大学圣路易斯分校工作。2011年辞去美国国家纳米技术基础设施组织的首席研究员职位，回到中国科学技术大学任教授，建立独立研究团队。2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士（FRSC）。2018年获聘长江学者特聘教授，入选国家万人计划科技创新领军人才。2022年当选东盟工程与技术科学院外籍院士（FAAET(F)）、新加坡国家化学会会士（FSNIC）。现任ACS Materials Letters副主编。长期从事光电催化研究，通过发展“精准合成-多域表征-数据驱动”交叉研究范式，推动生态系统重构应用。已发表200余篇通讯作者论文（50余篇Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和Adv. Mater.），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单、全球前2%顶尖科学家榜单、爱思唯尔中国高被引学者榜单（引用36,000余次，H指数96）。2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），2014-2016和2018年四次获中国科学院优秀导师奖，2015年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，2019年获英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖，2021年获安徽省自然科学一等奖（第一完成人）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/14790 

代云茜，东南大学教授，博士生导师。2002年进入东南大学化学化工学院学习，2006年获得化学工程与工艺学士学位，保送进入化学化工学院硕博连读，2008－2010年赴圣路易斯华盛顿大学联合培养，2011年获材料物理与化学博士学位（导师孙岳明教授、Younan Xia教授），并留校工作。2019年破格晋升为教授。近年来，利用静电纺特色技术制备人工纳米纤维，以多级孔无机纳米纤维为新型物质研究平台，开展纳米催化、能源转化等方面研究，形成了有一定国际影响的纳米纤维基复合材料特色体系，获得系列创新性成果。以（共同）第一/通讯作者身份在Nat. Commun.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.等化学、化工、材料类学术刊物发表论文60篇。荣获中国静电纺丝与纳米纤维技术“金丝鹭”优秀青年奖、全国“挑战杯”金奖指导教师奖、英国皇家化学会Nanoscale新锐科学家、Wiley ChemNanoMat亚太地区杰出女性化学家、《Advanced Fiber Materials》高被引作者奖等。入选华英学者、江苏省青蓝中青年学术带头人、江苏省六大人才高峰、江苏省青年托举人才。受邀担任《Advanced Powder Materials》创刊特任编委、《Chinese Chemical Letters》、《Advanced Fiber Materials》、《Journal of Rare Materials》青年编委。主编科学出版社十四五首批本科生规划教材（在编）、东南大学优秀研究生教材（在编），参编Springer Nature、Elsevier出版社学术论著3部。

https://www.x-mol.com/groups/Dai_yunqian