近日，我校自动化学院向后奎博士团队，与哈尔滨工程大学、安庆师范大学合作，在光热催化领域取得重大研究突破。团队通过精准调控半导体-助催化剂（SC）界面电子转移行为，成功开发出高性能Pt/Sn-TiO2催化剂，在温和条件下实现了甲醇高效脱氢制甲醛。该成果以封面论文形式发表于国际权威期刊《绿色化学》（Green Chemistry，中科院1区Top，影响因子9.2），为绿色化工提供了新路径。
随着全球碳中和目标的推进，氢能作为清洁能源载体备受关注。传统甲醛工业生产依赖高温高压工艺（200-300℃），能耗高且无法联产氢气。光催化甲醇脱氢（CH3OH → HCHO + H2）可在温和条件下同步生产高值醛类化学品和氢气，但SC界面电子转移效率低一直是技术瓶颈。研究以常见的TiO2为模型，首次揭示了光、热协同作用对SC界面电子转移动力学的影响机制。
团队采用水热法合成Sn掺杂TiO2光催化剂（Sn/Ti摩尔比0%-5%），并通过光沉积负载Pt助催化剂（图1）。关键创新在于利用开路电位方法（OCP）分析量化SC界面电子转移时间常数（τSC），并结合自行设计的固定床反应器克服短波长光在液相中的穿透性难题。
图1. 催化剂合成工艺示意图
通过系统调控光强、波长和温度，研究显示提升光强可使τSC降低1.33倍，短波长光照虽穿透性差但τSC缩短2.41倍，温度升至50°C时τSC下降3.51倍（图2）。同时，Sn掺杂能有效抑制升温带来的电荷泄漏加剧问题，优化后的Pt/3% Sn-TiO2在30 W紫外光（254 nm）、80°C条件下，氢气产率达82.86 mmol⋅g−1⋅h−1，甲醛产率84.13 mmol⋅g−1⋅h−1，表观量子效率（AQY）达40.02%，各项性能在现有文献报道中处于领先地位。
图2. 利用OCP方法研究温度和入射光强掺杂对SC界面电荷转移影响
原位DRIFTS分析表明，反应路径涉及甲醇氧化为甲氧基中间体，进一步脱氢生成甲醛，同时氢原子在Pt表面结合为氢气（图3）。
图3. 光热催化甲醇脱氢制甲醛反应机理
近年来，该团队利用光催化技术在低浓度VOC废气降解（流速100 L⋅min−1下，气态苯去除率>90%，）（Environ. Technol. Inno., 2024, 36, 103804）、无水苯甲醇脱氢制苯甲醛（Chem. Eng. J., 2025, 511, 161968）等方向取得进展，展现了在绿色化工和环境治理中的潜力。研究为设计高效光热催化剂提供了新范式，未来可拓展至更多有机合成体系。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D5GC03911H
