南工陳蘇教授團隊CEJ報道基于微流體氣噴紡絲機 構筑可以吸收CO2產氧的織物

大量的化石燃料消耗所產生二氧化碳排放造成全球氣候變暖及自然災害等問題，如沙漠化和極端天氣，科學界正在努力尋找有效的解決方案。其中一種有前景的策略是人工光合作用，即利用水作為還原劑，將二氧化碳轉化為有價值的化學燃料和無機化合物，同時產生氧氣并存儲太陽能。然而，這個過程需要滿足光催化劑的熱力學要求，激活二氧化碳和水中的化學鍵，而這是一項具有挑戰性的任務。目前，科學家們已經探索了各種策略來設計有效的光催化劑，這些策略已經取得了一些成功，但是光催化劑的量子產率依然有待提高。另外，現有的研究重點主要集中在二氧化碳的轉化上，而并未充分關注到水的分解過程。以自然光合作用為靈感，科學家們正在開發基于葉綠素衍生物的光催化系統，以驅動水分解為氧氣的反應。然而，這仍然是一個具有挑戰性的問題，需要進一步的研究和探索。

針對上述科學問題，南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授團隊開發了一種創新的人工光合作用系統，這可能是緩解全球變暖和減少溫室氣體排放的一個有效策略。該系統巧妙利用了微流體氣噴紡絲技術（microfluidic blowing-spinning）可制備超細納米纖維（小于100 nm）及生產效率高的特點 (該設備由南京捷納思新材料有限公司提供)，將膠體粒子和葉綠素鈉銅鹽混合物噴涂到聚酯織物上，形成了一種具有獨特光子結構的模擬生物虹膜質體的光催化劑。這種新型的光催化劑可以在織物中負載，如可作為一種光催化遮陽傘，用于二氧化碳轉化并產生氧氣。這種新型光催化劑的工作原理在于源自光子晶體結構的慢光子效應將光子限制在晶體中，并增加光子和光催化劑之間的相互作用。通過合理設計，光催化劑的吸收帶與光子晶體禁帶邊緣重疊，從而實現了二氧化碳還原的最佳光子增強效果。最終這種光催化劑的光催化活性顯著提高，氧氣的產生速率達到了7.8毫摩/克·小時，比純葉綠素銅鈉鹽高出24倍以上。織物不僅有紡織品的功效的同時又賦予轉化二氧化碳制氧的功效，為納米纖維的高效利用提供了可實用化的案例。

這項工作的成功，不僅為設計更高效的光催化織物提供了靈感，也為解決我們當前面臨的溫室氣體排放的環境問題提供了新的策略和可能的方向。該研究成果于近日發表在化學工程領域的重要期刊《Chemical Engineering Journal》上（影響因子：16.744）。“Biomimetic Chlorophyll Derivatives-based Photocatalytic Fabric for Highly Efficient O₂?Production via CO₂?and H₂O Photoreaction”(Chemical Engineering Journal 472?(2023) 145103)。南京工業大學博士后于淑貞為第一作者。南京工業大學金奇杰、朱亮亮、陳蘇教授為通訊作者。

該課題得到了國家自然科學基金項目、江蘇省特聘教授計劃和中國博士后科學基金項目資助。

【圖文導讀】

圖1 生物模擬光催化織物的制備、潛在應用和優勢示意圖。

圖2?光催化織物的物理和化學性質。

圖3光催化織物中不同含量的葉綠素銅鈉鹽的光催化性能及其穩定性。

圖4 光催化織物的慢光子效應及其對氣體生成的影響。

圖5 光催化織物的光生電性能。

圖6 光催化織物的光催化機理及原位紅外測試。

圖7光催化織物的形貌及光催化性能。

圖8微流體氣噴紡絲機（南京捷納思新材料有限公司生產、南京貝耳時代科技有限公司研制）