北京化工大学化学工程学院孙振宇

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孙振宇，博士，北京化工大学化学工程学院教授、博导。获中科院化学所博士学位，师从韩布兴院士，先后在爱尔兰圣三- .学院、德国鲁尔波鸿大学和英国牛津大学做博士后研究。曾获得德国洪堡奖学金。长期从事纳米功能材料的控制制备及在洁净能源催化领域中的基础研究，主要研究方向包括(1)二维材料的制备、分散和改性研究: (2) CO2转化和氮还原催化材料的控制合成等。已在Angew. Chem. Int. Ed、Adv Mater. Chem等期刊发表第-作者或通讯作者SCI论文超过60篇:所有论文被引用10800余次(GoogleScholar, 2019年06月04日)；H-因子42。


孙振宇 教授  博士生导师
办公地址  北京化工大学东校区化学工程楼A501房间
电子邮箱  sunzy@mail.buct.edu.cn
学术兼职  Current Graphene Science编委


招生专业及研究方向
招生专业：化学工程与技术
研究方向：电催化研究方向


个人经历
2015-至今 教授, 北京化工大学
2014-2015 博士后, 英国牛津大学, Edman Tsang教授多相催化研究团队
2012-2014 洪堡学者 (Experienced researcher), 德国波鸿鲁尔大学
2011-2012 博士后, 德国波鸿鲁尔大学, Martin Muhler和Wolfgang Schuhmann教授研究团队
2008-2011 副研究员, 胶体界面与化学热力学实验室, 中科院化学所刘志敏研究员团队
2006-2008 博士后, 爱尔兰都柏林圣三一学院, Jonathan Coleman教授研究团队
2003-2006 物理化学理学博士, 中科院化学所, 导师：韩布兴院士
1999-2002 高分子材料科学与工程工学硕士，天津工业大学，导师：齐鲁研究员


讲授课程
能源化工专业英语


科研项目
主持了国家自然科学基金青年科学基金项目、教育部留学归国人员科研启动基金、中科院化学所留学人才发展基金、北京化工大学准B类人才计划、北京化工大学有机无机复合材料国重人才培育项目、中央高校基本科研业务费项目等。


学术成就
在Nature Nanotechnology等期刊发表SCI收录论文近100篇。作为第一作者（含通讯作者），在Angew. Chem. Int. Ed. （1篇）、Adv. Mater.（2篇）、Chem（1篇）、Chem. Sci. （1篇）、ACS Catal.（1篇）、Chem. Mater.（1篇）、 Chem. Commun.（4篇）、Chem. Eur. J.（4篇）、Green Chem.（1篇）、J. Phys. Chem.（B,C）（5篇）、Carbon（6篇）、J. Mater. Chem.（4篇）、Nanoscale （1篇）、Langmuir（2篇）等期刊上发表论文48篇；同等贡献作者论文2篇；8篇论文入选ESI高被引论文；所有论文在SCI期刊被他人引用超过 7200次；H-因子为33。
    2006被选为中国博士生代表参加了第56届德国林岛诺贝尔化学奖大会；曾获得中科院刘永龄特等奖学金、中科院化学所青年考核报告一等奖和特等奖、中科院化学所优秀博士毕业生等。


论著专利
撰写英文书籍章节1篇；获发明专利4项（授权3项）


合作交流
与英国牛津大学Edman Tsang教授、德国波鸿鲁尔大学Martin Muhler和Wolfgang Schuhmann教授、美国东密歇根大学John Texter教授保持长期合作交流


招生需求
对科研感兴趣、勤奋、有较好的英语基础


所属团队或实验室网页介绍
nanocarbon.cn

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认为是潜在的能源载体和存储介质，在全球化学经济中发挥着关键作用。目前，工业规模的氨合成主要依赖于具有百年历史的哈伯-博施法（Haber-Bosch）。哈伯法是20世纪最伟大的发明之一，为社会发展和科技进步做出了巨大贡献，因此授予三项诺贝尔化学奖。然而，该技术需要高温（> 300 °C）、高压（> 15 MPa），对N2和H2进行热催化转化。此外，该过程基于空气中的N2与甲烷重整产生的H2反应，消耗全球3％~5％的天然气或其他化石资源，且排放大量的CO2温室气体，合成每吨NH3排放约2.86吨CO2，不符合当今社会对“碳中和”目标的追求。因此，改进传统的工业合成氨技术，探索高效、条件温和、可持续的合成NH3技术对科学研究和工业应用均具有重要意义。近年来，光催化合成氨技术凭借其低能耗、反应可控和绿色环保等优势，有望替代高能耗的工业哈伯法，引起研究者极大关注，这种技术对于缓解能源短缺和大气污染以及实现经济的可持续发展具有重要前景。目前，大量的研究工作致力于设计和构筑多相光催化剂，并且取得了重要成果。然而该技术仍受制于窄带光吸收、载流子分离和传输能力差以及氮气在光催化剂表面的活化/反应迟缓等挑战。因此，开发高效、高稳定的合成氨光催化材料是推动光催化合成氨技术实用化的关键。

        缺陷工程是调控催化材料电子结构和化学性质的有效策略，不仅可以提高光吸收能力并加速电荷载流子分离，同时为N2吸附和活化提供活性位点，被认为是进一步提高光催化固氮效率的最有潜力的途径之一。有鉴于此，北京化工大学孙振宇教授与德国罗斯托克大学莱布尼茨催化研究所Jennifer Strunk教授合作总结了缺陷工程促进光催化氮还原合成氨的最新进展。首先简要回顾热催化和光催化N2还原的基本原理和机制，包括N2分子的相关性质、反应途径和NH3定量检测方法。随后，对缺陷分类、合成策略和检测技术进行了系统总结。同时，借助新兴的原位表征技术实时监测在N2还原过程中缺陷状态的进展。此外，重点强调了各种表面缺陷策略及其在提高N2光还原性能方面的关键作用，包括表面空位（即阴离子空位和阳离子空位）、杂原子掺杂（即金属/非金属元素掺杂）和原子定义的表面位点。针对光催化剂缺陷工程以促进氮还原合成氨的未来机遇和挑战，提出了相应的见解和展望。该综述深入浅出地阐述了缺陷结构与性能之间的关系，为更专业地设计具有高活性、稳定性和合成氨的缺陷工程光催化剂提供指导。
       文章信息
       Huidong Shen, Mengmeng Yang, Leiduan Hao, Jinrui Wang, Jennifer Strunk* & Zhenyu Sun*. Photocatalytic nitrogen reduction to ammonia: Insights into the role of defect engineering in photocatalysts. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3725-0.

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环境污染是21世纪人类面临的最重要挑战之一，其中水污染问题最为突出，特别是环境水中的难降解有机污染物具有顽固性和毒性，对生态系统和人类健康造成严重威胁。因此，探索一种可行、高效的去除有机污染物的技术具有重要的科学和现实意义。众所周知，O2是一种环境友好、价格低廉的氧化剂，广泛用于环境修复。但O2分子活化是一个电子自旋禁止的过程，阻碍了环境条件下的直接利用。在环境条件下活化O2并将其转化为更具氧化性的活性氧（ROS）是一个难题。光催化活化O2技术因其低成本、高效和环保而引起越来越多的关注。在光催化O2活化过程中，光产生的电子转移到催化剂表面，将吸附的O2转化为ROS（如‧O2–、1O2、‧OH、H2O2），其可高效降解有机污染物，达到净化废水的目的。g-C3N4的导带（CB）具有较高的还原电位，有利于O2的活化，但其光催化O2活化的效率受到光生电荷易复合、载流子迁移速率低以及缺少O2吸附活化位点的制约。通过调控光生电荷的动力学行为以及催化剂与O2分子之间的电子/能量传递过程，实现高效的O2分子活化，是一挑战性课题。最近研究表明，在光催化剂中形成表面缺陷及构建异质结可以抑制光生电荷的复合，促进O2的吸附和活化，从而改善光催化剂的性能。氧化钼（MoOx）作为一种自然界丰富存在的过渡金属氧化物，具有多种价态，是一种潜在的非贵金属基助催化剂。目前，MoOx作为助催化剂光催化O2活化产生ROS的研究仍然缺乏，而且过渡金属氧化物和表面缺陷对O2分子的活化机制尚不明确。
        针对如何有效促进光生电荷分离、提高载流子迁移速率以及增强O2吸附和活化等问题，北京化工大学孙振宇教授课题组和延安大学付峰教授课题组通过构筑缺陷和引入MoOx团簇修饰的策略，利用原位热解法构建了具有氮/氧双缺陷的MoOx/g-C3N4光催化剂。氮/氧双缺陷和MoOx团簇的形成不仅拓宽了g-C3N4的光吸收范围，减小了能带宽度，而且有效促进了光生载流子的分离。实验和理论计算发现，具有氧缺陷（Ov）的MoOx团簇和表面Ov介导的Moδ+（3 ≥ δ ≥ 2）作为电子捕获中心，将电子转移到MoOx团簇，随后转移到吸附在催化剂表面的O2，从而促进O2到‧O2–的光催化转化。得益于活性氧物种的高效产生与利用，MoOx/g-C3N4表现出优异的光催化活性，可见光照射120 min，对盐酸四环素（TCH）的降解率达79%，表观速率常数约为纯g-C3N4的7倍。该研究为促进O2的活化提供了新的思路，为设计用于环境修复的高活性集成光催化剂提供了重要参考。

图1 10MoOx/Nv-CN-3光催化剂的（a）合成路线示意图、（b）BF-STEM图像、（c）HAADF-STEM图像、（d）图c中所示区域的放大彩色视图、（e）高倍放大HAADF-STEM图像和（f）HAADF-STEM图像和相应的EDS-mapping图像。

        为了深入揭示光催化性能增强机理，特别是缺陷和MoOx团簇的关键作用，利用DFT计算研究了O2在CN和10MoOx/Nv-CN-3表面的化学吸附。如图5a-c所示，通过优化O2分子在光催化剂表面的吸附构型，得到了O2/CN和O2/10MoOx/Nv-CN-3的结构和吸附能（Eads）。CN（C原子作为吸附位点）对O2的Eads为−2.77 eV；10MoOx/Nv-CN-3有两种类型的吸附（C原子和Mo原子分别作为吸附位点），对O2的Eads分别为0.89和–2.94 eV。结果表明，与CN相比，10MoOx/Nv-CN-3对O2具有更好的亲和力，且O2分子更容易附着在Mo原子上。O2吸附能力的增强归因于表面Ov和表面Ov介导的Moδ+（3 ≥ δ ≥ 2）以及大量未成对的局部电子，促进了催化剂对O2的化学吸附和强相互作用。因此，缺陷和MoOx团簇的引入促进了CN对O2的吸附，进而通过光生电子加速了‧O2−的形成。此外，使用氯化硝基四氮唑蓝（NBT）NBT作为探针分子检测CN和10MoOx/Nv-CN-3的光催化O2活化特性。结果发现，10MoOx/Nv-CN-3和CN对·O2−的产率分别为3.54 μmol L−1和0.86 μmol·L−1，表明缺陷和MoOx团簇的形成显著增强了催化剂光催化O2活化的能力。通过ESR测试确定了·O2–和1O2是降解过程中起主要作用的活性氧物种，且缺陷和MoOx协同促进了O2活化产生‧O2−和1O2。
        电子迁移是光生电荷扩散到催化材料表面并形成具有高氧化能力ROS的先决条件。利用差分电荷密度计算探索了激发态MoOx团簇和CN之间电子转移的路径和方向。从图6中可以看出，MoOx团簇和CN在界面处产生了强烈的相互作用。以MoOx团簇为中心的大量黄色区域意味着电荷密度的增加，表明电子倾向于由CN迁移到MoOx团簇，这为电荷转移和捕获提供了基础。结合上述实验和DFT计算结果，我们提出了O2活化和TCH光降解的初步机理。在可见光照射下，10MoOx/Nv-CN-3被激发并产生光生电子-空穴对；光生电子从CN迁移到MoOx团簇，并积聚在MoOx团簇附近，使电子密度发生变化；光生电子被O2分子捕获，诱导还原反应生成‧O2−；同时，VB中残留的空穴具有较强的氧化能力，可直接氧化TCH为H2O和CO2。缺陷和MoOx团簇的引入促进了O2分子的吸附和活化，并有效促进了光生电荷的分离和传输，从而增强光催化降解TCH的性能。