西安交通大学ACS Catalysis：pH触发羟基化表面，促进太阳能驱动木质素重整制H2

太阳能驱动的光催化水分解制氢气因其成本低、操作简单等优点，成为化石燃料替代品研究方向的热点。但是，水分子氧化反应涉及四电子转移步骤，导致动力学缓慢。使用牺牲剂来消耗光生空穴通常会提高H₂的析出速率并延长光催化剂的寿命。木质素由于其储量丰富、价格低廉、碳中性等特点，可以作为实用的牺牲剂。值得注意的是，目前大多数光催化剂的光生电荷转移和分离效率低下以及表面反应动力学缓慢，阻碍了木质素光重整系统的实际应用；另一个瓶颈是木质素由多组分结构组成，具有化学稳定性和低溶解度，导致过电位较大。

基于此，西安交通大学刘茂昌课题组提出了一种基于纳米孪晶Cd_0.5Zn_0.5S光催化剂(CZS)的木质素光重整体系，在碱性溶液中，木质素和木质素衍生物可以高效地光重整为氢气。实验结果表明，在400 nm处，α-纤维素光重整制H₂活性和表观量子产率分别为7.23 mmol g^-1 h^-1和12.74%；同时，在可见光照射下，α-纤维素发生光重整反应，观察到大量的氢气泡产生，表明其具有极高的光重整活性。

此外，研究人员进一步开发了7.2 m²的复合抛物面聚光器(CPC)系统，用于室外太阳光照射下木质纤维素光重整析氢。在直接的太阳光照射下也可以产生相当多的H₂气泡(产H₂速率为615 mL h^-1)，显示出太阳能驱动的木质素光重整生产H₂的巨大应用潜力。

基于实验和计算结果，研究人员提出了一个在羟基化表面上碱性木质素光重整的可能的反应机制。具体而言，在碱性溶液中，CZS纳米孪晶表面会原位形成一个pH依赖的羟基化表面；在CZS吸收光子并被激发产生光生电子和空穴对后，这种羟基化表面具有优越的电荷分离效率(通过将光生空穴提取到表面羟基)，光生空穴从CZS转移到载体或OH⁻/H₂O，使得在高pH下快速产生·OH(主要反应路径)以加速木质素氧化动力学。

此外，Ni纳米粒子作为助催化剂进一步促进了电荷分离和析氢反应的进行，最终实现了碱性木质素对H₂和生物质的高效光转化。综上，该项工作展示出太阳能光催化木质素重整制备氢气的巨大潜力，并且pH触发的羟基化表面可以作为其他光催化剂的通用/替代反应来提高光催化活性和产物选择性。

Solar reforming lignocellulose into H₂ over pH-triggered hydroxyl-functionalized chalcogenide nanotwins. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c03786