种出来的光催化剂：植物灰在太阳光下的光催化氧化和还原性能
文章导读
合成高效成本适中的可见光催化剂仍然是一大挑战。相比之下，绿色植物的光合作用成为了高效利用太阳光的典范。科学家们对从自然界中以更简单更经济的方式得到光催化剂充满了浓厚的兴趣。有研究发现，自然界中存在的一些固体、矿物等具有作为光催化剂的潜力。作者发现，与常规模拟酶和生物质发酵产氢均属暗反应不同，某些无机物能在光照下表现出类脱氢酶性质，从而提出了“光催化模拟脱氢酶”概念。此外，植物叶片 (甘蔗叶、茅草、苞草、蒜苗叶和韭黄叶菜等各种植物的叶片) 经高温煅烧去除叶绿素等有机质后，所余下的无机物表现出类脱氢酶性质。该反应的关键因素为光照，并且与常规光致生物质发酵产氢必须有酶存在也不同 (由于高温煅烧处理的样品已不含具有生物活性的分子)。该研究也进一步说明了植物叶灰中的可溶性和不可溶性矿物等具有光催化活性。这也可能进一步促进人工光合作用和光催化脱氢酶的进展。
研究过程和结果
图1展示了植物灰分的合成与性能示意图。如图2所示，部分灰分样品的扫描电镜图像显示出有趣的形貌，如管状、长毛绒状和空心管等。这说明对植物叶片的形态学研究值得进行进一步的研究。
图1. 研究结果示意图。
图2. 灰分样品SEM图：(a,b) 大蒜芽 (茎)；(c) 偃麦草 (Elymus repens)；(d) 苞片属 (Hyparrhenia Bracteata)；(e) 淡黄色韭菜 (茎) (Allium tuberosum Rottler)。
洗涤植物后煅烧的灰 (图3a中b曲线是洗涤植物之后煅烧的灰分) 的光催化性能明显下降，说明灰中可溶性离子促进了光催化。因此，作者强调了应更加重视可溶性和不溶性组分的协同作用在光催化剂中的作用。本研究合成的植物原料光催化剂均表现出光催化氯化三苯基四氮唑 (TTC) 还原活性，在一定程度上说明它们具有光照模拟脱氢酶的作用。此外，作者利用叔丁醇和Na2SO3作为自由基捕获剂，探究了该过程可能的机理。如图3c和图3d所示，在叔丁醇存在的条件下，灰分也表现出很高的光催化活性；因此推断羟基自由基并非唯一的氧化物质。当在反应溶液中加入Na2SO3等无氢牺牲试剂时，TTC光还原速率的增加，进一步证实了抑制电子-空穴复合可提高还原反应效率。
图3. (a) 蒜苗茎灰在日光照射下降解MB量与照射时间的关系图；(b) 日光条件下，苞茅灰还原TTC的曲线图；(c) TAB对MB在植物叶灰上的光降解效率的影响 (反应条件：50 ml 10 ppm MB、50 mg催化剂、1.5 mL的TAB、500 W氙灯照射260 min)；(d) Na2SO3对大蒜芽灰上TTC光还原速率的影响 (反应条件：50 ml 1g /L TTC、25 mg催化剂、0.1 M Na2SO3、500 w氙灯下照射3 h)。
由于植物灰分光催化剂是种植所得而不是通过化学合成方法获取的，因此植物灰分会有光催化活性的原因可能是：1、植物灰分中除了含有SiO2外还有BaGeO3、KCl、K2SO4等无机物，这些离子的存在可促进光催化活性；2、植物灰分所具有的不同形貌 (管状、球状、柱状等) 和不同孔结构可以为光催化提供适当的反应环境，有利于光催化活性。然而，植物灰分的光催化机理还有待研究。
总结与讨论
本研究开创性地发现，去除植物的天然光合作用系统 (煅烧) 后的植物叶灰在太阳光照射下仍然表现出光催化活性。该方法使用植物叶子作为原料，具有绿色环保、成本低、原料来源广、易于大规模生产等优点。植物灰分表现出的光催化活性，启发科研人员来研究其作用机制并开发更多的潜在价值。植物叶片经过焙烧后，破坏了光合作用进行所必须的光合反应中心，其残留的无机体仍具有光催化活性，这揭示了原始的光合作用过程与当代光合作用演化的连续性。
特别值得一提的是，与其他化学合成催化剂相比，植物灰分是通过种植获得的光催化剂，这将是可持续且可大规模生产的。科学界一直追求生物模板合成新的催化剂，但似乎忽略了生物自然矿化产物在催化领域的潜在价值。通过调控植物生长条件和过程来控制植物制造有效的光催化剂，或许将在未来成为现实。
原文出自 Nanomaterials 期刊
Ma, X.; He, J.; Liu, Y.; Bai, X.; Leng, J.; Zhao, Y.; Chen, D.; Wang, J. Plant Photocatalysts: Photoinduced Oxidation and Reduction Abilities of Plant Leaf Ashes under Solar Light. Nanomaterials 2023, 13, 2260. 10.3390/nano13152260
主编：Shirley Chiang, University of California Davis, USA
期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。
- 2022 Impact Factor: 5.3
- 2022 CiteScore: 7.4
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