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上海交通大學環境學院學子奪取第十六屆“挑戰杯”特等獎

2019/11/14 11:07:26瀏覽次數:72

第十六屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽終審決賽于11與7日至12日在北京舉行。

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以環境學院15級本科生方思遠為申報人、16級本科生包宸瑜為合作者的作品—“熱-光協同催化高效水制氫的機理研究”,一路過關斬將,最終成功奪取“挑戰杯”特等獎。這也是環境學院歷史上首次實現在學生科創類頂級賽事中最高獎的突破,為環境學院建院二十周年精彩獻禮。該項目的指導教師為環境學院胡云行講席教授。

(圖一、上海交通大學黨委常委、副校長王偉明到展臺前參觀).jpg

上海交通大學黨委常委、副校長王偉明慰問參賽學生

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團市委副書記戴冰,團市委學校部部長徐豪到展臺前參觀

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學生處處長侯士兵慰問參賽學生

該項目于2018年年底開始培育,由胡云行講席教授親自擔任該項目指導老師,學院黨委書記胡薇薇持續關注項目的進展,黨委副書記陳哲全程負責項目的組織工作。在項目的申報過程中,得到了校領導、科研院、學指委、校團委、化工學院、船建學院、材料學院、創業學院、零號灣等多家單位的大力支持,數十位專家參與了項目的指導工作,期間數易其稿,反復修改、打磨申報材料和匯報講稿。

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近年來,環境學院高度重視學生科技創新工作,注重學生科創能力的培育,學院學生曾經在2016年“創青春”全國大學生創業大賽中斬獲銀獎,在2018年“創青春”上海市大學生創業大賽中榮獲金獎。學院在2019年初正式出臺《環境科學與工程學院關于“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽等學生雙創類競賽的獎勵辦法(試行)》,從制度激勵層面做好充足保障,形成了全院上下師生高度重視學生雙創工作的良好氛圍,也為本次參賽項目提供了充分的支撐。

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光解水制氫有望將太陽能直接轉化為氫能,被譽為化學界的“圣杯”。TiO2是現階段研究最為廣泛的光解水催化劑,但其只在紫外光區具有響應,但是紫外光在太陽光譜中的能量占比僅為4%,而可見光占比高達46%。如何更充分的利用可見光,是光催化領域的研究熱點,也是困擾了人們近半個世紀的難題。

其中一項里程碑式的工作于2011年發表于Science,研究者通過氫化處理引入了中間能態,實現了TiO2對可見光的吸收。但可見光對于產氫反應幾乎沒有貢獻,無法得以充分利用。

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針對這一奇特現象,胡云行、方思遠等提出了一種氧化驅動力補償理論。研究發現,當紫外光被吸收時,電子可以直接從價帶躍遷到導帶,將質子還原,產生氫氣,同時犧牲劑甲醇被氧化,甲醇氧化的氧化驅動力為2.78 eV。當可見光被吸收時,電子只能從中間能態躍遷,此時提供的氧化驅動力僅為0.88 eV,不足以驅動甲醇氧化半反應的進行。因此,他們認為,氧化驅動力不足是該反應在可見光下無法有效進行的原因。所以,他們設想,熱能的引入可以增強甲醇分子的動能,補償勢能驅動力的不足,實現可見光下的高效產氫。并以此為理論基礎,自主設計了實驗裝置,開展了有效的實驗驗證。

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他們將成本低廉的NiOx負載在黑色TiO2上作為催化劑,在可見光照射下,溫度260℃時,熱-光協同催化氫氣產量較常規熱催化提升了2.3倍,實現了熱對光的促進。同時,同位素示蹤實驗顯示,只加熱不加光時,產氫反應主要是甲醇分解,氫氣主要來自于甲醇;當熱-光協同催化時,氫氣主要來自于水,從分子層面闡釋了熱-光協同催化的反應機理。他們的最新研究結果還表明,光能可以調節催化劑的表面結構,增加催化活性位點,促進熱催化。

他們主要研究結果刊登于催化領域頂級期刊ACS Catalysis,該工作還得到了海內外專家學者、企業家和期刊編輯的認可。

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方思遠是環境學院2015級本科生,目前正在密西根理工大學攻讀博士學位。在大學四年的學習生活中,她德、智、體、美、勞全面發展,綜合排名全院第一;同時積極投身科研實踐,先后參加了大學生創新計劃、PRP項目和?政項目并獲評優秀。曾榮獲包括上海市優秀畢業生、?政獎學金、TFI-LEaRN獎學金、樂陶獎學金、聯合水務獎學金在內的多項獎勵。在科創方面,曾獲“頂級學術”模擬國際學術會議優秀獎、?政計劃優秀獎、上海交通大學優異學士學位論文(前1%)、全國環境類優秀畢業設計等。

目前已公開發表5篇SCI論文(其中4篇為第一作者)累積影響因子超過30,并在2019年美國化學會年會上做口頭報告,還擔任了Scientific Reports和Catalysis Today的審稿人。

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包宸瑜為環境學院2016級本科生,學習成績優秀,科研能力突出,全面綜合發展。曾任上海交大《益友》報刊副社長,生活園區學業輔導員,多次參與暑期支教等社會實踐活動,榮獲上海交通大學優秀團干部等多項獎勵。目前已經確定保送繼續在交大環境學院直接攻讀博士學位。

胡云行教授是上海交通大學“春申”講席教授,美國密歇根理工大學麥克阿瑟講席教授,美國科學促進會會士(AAASFellow),美國化工學會會士(AIChEFellow),英國皇家化學會會士(RSCFellow)。2014年,當選美國化學會能源與燃料分會主席。2015年,當選國際氫氣能源協會儲氫分會主席。他先后主持過40次國際學術會議,并在國際學術會議做特邀報告50多次(其中30次為大會報告)。他還是4本美國化學會系列叢書的主編,8個國際學術雜志的編委,國際學術雜志《Energy Science & Engineering》的主編,在國際著名學術雜志上發表學術論文200余篇,引用近10000次。


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