文献快讯：陕西科技大学屈彦宁AFM：乳滴微反应器用于高效非均相光重整产氢

注：本文为作者本人原创投稿内容

【成果掠影 & 研究背景】

近日，陕西科技大学屈彦宁与墨尔本大学Gang Kevin Li（李刚）教授合作在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》（一区TOP, IF=19）上发表了题为“Emulsion droplet microreactors for efficient heterogeneous photoreforming hydrogen evolution”的研究论文。该研究开发出由TiO2/MWCNTs (TCN)复合材料稳定的Pickering乳液微反应体系，用于液-液非均相界面光催化重整制氢。采用TCN稳定的Pickering乳液，其最优产氢量较单一水相TiO2提升了9.93倍, 表观量子产率AQY是油水混合体系的5.2倍。Pickering乳液界面在保证稳定性的前提下, 促进了活性物种的传输，实现了氢气的高效生成和有机物的部分氧化，并改善了液-液非均相反应的传质效率及反应动力学。本研究为强化液-液非均相光重整反应及生物质衍生物再利用提供了有利支持。

【创新点 & 图文摘要】

光催化重整生物醇产氢在绿色可持续发展及热力学上具有一定的优势。除了混溶均相体系外，在由某些高级醇（如C4+醇）组成的不溶非均相体系中，传统光催化剂的传质往往受到一定的阻碍，Pickering乳液（PEs）为多相催化提供了有利保障，但相关研究有限。液-液非均相体系的光催化界面传质与反应动力学受乳液稳定性、界面颗粒调控机制及油水界面活性物种传输效率等因素的影响。针对上述问题，需充分考虑以下三个关键因素：（1）基底颗粒润湿性不影响光照射下界面活性物种的生成，反之亦然；（2）乳液在反应过程中需保持稳定性，在油-水界面提供较大的比表面积及反应区域；（3）活性物种在乳液界面实现有效传输，促进后续光重整析氢反应的进行。

为了突破上述问题，本研究开发出由TiO2/MWCNTs稳定的Pickering乳液体系，用于界面光催化重整产氢。该体系显著改善了基底材料间的结合性、乳液稳定性及活性物种传输效率。TiO2与MWCNTs通过静电吸引和酯化作用相结合，有效抑制了反应过程中基底粒子的脱落；通过优化条件，在降低界面张力的同时保障了乳液的稳定性；光生电子可有效地从TiO2定向转移至MWCNTs，确保了光生载流子的有效分离。与油-水单相及混合相体系相比，该Pickering乳液的光催化重整产氢效率显著提升。本研究为强化液-液非均相体系光催化重整反应提供了新思路。

图1. Pickering液滴微反应器界面光重整制氢示意图: a) 乳液液滴微反应器形成机制，b-c) TiO2与MWCNTs表面键连FTIR与Zeta电位图。

图2. TCN结构特性与Pickering乳液表征: a-c) TCN的TEM及 EDS图，d-f) 相关材料光电性能测试，g-h) 不同材料的表面张力, j) 不同体系的界面张力，i)和k) 不同体系的照片及TCN(3%)稳定的Pickering乳滴图。

图3. Pickering乳液界面光重整产氢效率: a-b) 不同体系界面光重整产氢性能及与文献结果对照, c-e) 不同油相稳定Pickering乳液界面光重整产氢性能, f-h) 产氢循环测试及循环后的乳滴尺寸分布、循环后基底粒子FTIR测试。

图4. Pickering乳液界面结构及电子转移特性: a-c) 乳液水相、油相及界面粒子染色的CLSM图, d) TCN (3%)稳定乳滴的Cryo-SEM图, e-f) TCN界面差分电荷密度分布图, g-h) TCN表面模型DOS计算及电子转移机理, i-j) 不同材料体相模型带隙及DOS计算。

图5. TCN稳定Pickering乳液界面光重整机理: a-b) 光重整反应后水相及油相产物的GC-MS图, c) PEs界面光重整产氢机制分析, d-e) 不同体系中DMPO-·OH和TEMPO-h+的EPR信号, f) PEs微反应器中油相产物可能的转移途径。

【通讯作者介绍】

屈彦宁，陕西科技大学讲师、硕士生导师，主要从事微纳复合材料设计、光（电）催化氧化/还原应用、Pickering乳液微反应体系界面催化等方向研究。主持国家自然科学基金青年项目、企业技术开发合作项目、陕科大自然科学研究基金等科研项目6余项。曾受国家留学基金委资助赴澳大利亚莫纳什大学环境工程系访学。先后在Advanced Functional Materials、 Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、ACS Materials Letters、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Colloid and Interface Science等重要学术期刊发表相关论文30余篇，申请中国发明专利15余项，引用次数 673次。曾荣获优秀毕业生、优秀硕士论文、研究生国家奖学金等奖项。

Gang Kevin Li（李刚），墨尔本大学副教授，主要从事二氧化碳捕集与转化、氢气制备生产及煤层气富集等领域的研究工作，在Nature、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society及AIChE Journal等期刊发表论文180余篇，并拥有30多项专利。获得ARC Discovery Early Career Researcher Award (DECRA)，ExxonMobil Award of Excellence in Chemical Engineering以及 the ATSE David and Valerie Solomon Prize等多个奖项。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202513558

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