北科大Small: 金屬鈷-碳復合材料作為可回收和可逆的磁性光催化劑用于高效減少二氧化碳排放

【引言】

由于化石燃料的枯竭和日常需求的增加，工業生產和日常生活相關的大量人為二氧化碳的排放導致了全球變暖和環境危機。因此，將二氧化碳轉化為增值化學燃料是解決當前和未來能源供應需求的迷人的方法。太陽能驅動的光催化二氧化碳還原成化學燃料被認為是解決能源和環境問題的最佳方法之一。盡管已經報道了許多太陽能活性催化劑用于CO₂還原，但是它們中的大多數具有低能量轉換效率，不可控制的選擇性和不穩定性。非均相半導體催化劑在光催化CO₂還原中表現出較差的活性和選擇性，因為它們具有寬的能帶隙性質，僅允許吸收一小部分太陽光譜。同時，均相分子催化劑還提供了光催化CO₂還原的替代策略，因為它們具有更好的光利用效率和對CO₂還原的低活化要求。然而，均相催化體系自身存在一些缺點，例如涉及高成本，耗時的合成程序，不穩定和不可重復使用，這嚴重阻礙了它們在光催化中的實際應用。因此，具有高轉換效率和二氧化碳減排選擇性的高活性和創新型光催化系統的設計和制造仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，北京科技大學于然波教授聯合國家納米科學中心唐智勇研究員（共同通訊作者）提出了一種基于光敏多孔金屬和磁性Co-C復合物的人造光系統來進行CO₂還原。 有趣且令人印象深刻的是，金屬有機骨架（MOFs）與釕光敏劑相結合的多孔金屬磁性Co-C復合材料非常少用于光催化CO₂還原。作者推測，通過用表面光敏多孔金屬和磁性1200Co-C復合材料（PMMCoCC-1200）代替均勻的鈷配合物可以實現突破，該復合材料用于實現表面激發態電子超快速輸送，從而使得CO₂還原成CO。這是第一次提出回收金屬和磁性復合材料與有機分子復合物混合，以實現高效的二氧化碳減排。相關研究成果“Metallic Cobalt–Carbon Composite as Recyclable and Robust Magnetic Photocatalyst for Efficient CO2 Reduction”為題發表在Small上。

【圖文導讀】

圖一?Co74s和PMMCoCC-1200的物相表征

（a）Co74s的TEM圖像

（b）Co7s的XRD圖案（插圖是晶體結構的Co74。）

（c）PMMCoCC-1200的大面積SEM圖像（插圖是PMMCoCC-1200的放大圖像）

（d）PMMCoCC-1200的TEM圖像和相應的SAED圖像

（e）PMMCoCC-1200的XRD圖譜（插圖是金屬鈷的晶體結構）

（f）PMMCoCC-1200的元素映射圖像

圖二 PMMCoCC-1200的基本特性

（a）HRTEM圖像（插圖是相應的典型SAFFT模式）

（b）拉曼光譜（激發波長為514nm）

（c）TG分析光譜

（d）O?1s和Co?2p的XPS光譜

（e）來自DRS的吸收光譜（插圖圖像是帶隙計算= 0.5eV）

（f）磁滯回線圖像

圖三?催化性能表征

（a）CO（紅色正方形點）和H₂（黑色球形點）隨著PMMCoCC-1200照射可見光而反應延長

（b）PMMCoCC-1200在循環測試中6小時內產生的CO和H₂的產率

（c）不同煅燒溫度下碳化樣品的碳（I_D/I_g）的拉曼光譜表征與CO₂光催化還原活性之間的關系

（d）在1mol L-1 HCl中蝕刻后，PMMCoCC-1200得到CO和H₂

（e）分別使用市售鈷粉，Co74s，鐵粉，石墨烯在相同條件下進行對照實驗的前6小時的CO和H₂的平均產率

（f）在1200℃下在Ar氣氛中衍生自Fe-MOF74，Ni-MOF74，Mn-MOF74和Co-Fe-MOF74的碳化產物用于光催化

圖四?催化機理與理論計算

（a）光催化還原CO₂還原為CO的機理

（b）能級的示意圖，顯示從Ru(bpy)₃?²⁺到PMMCoCC-1200的電子轉移。 EF：費米水平; LUMO：最低未占分子軌道; HOMO：最高占據分子軌道

【小結】

總之，PMMCoCC復合材料的可調結構和含量來源于超聲波方法制備的Co74s。PMMCoCC-1200具有更均勻的形貌，高度的石墨化，更方便的磁再循環性，被證明是優異的二氧化碳還原多相光催化劑; 例如，高效率的活性，其數量級高于單個Ru復合物，突出的穩定性，在三次重復反應后活性衰減可忽略不計。由于金屬鈷活性位點和具有超電子導電性的石墨烯碳的存在，金屬鈷和石墨烯碳的協同作用促進了光催化CO₂更有效地還原成CO。值得注意的是，這是第一次提出結合Ru(bpy)₃²⁺的多孔金屬和磁性材料，其用于獲得優化的光催化CO²還原。對PMMCoCC-1200的理解不僅為開發用于太陽能轉換的高效耐用的磁性光催化劑提供了指導，而且還提供了對這種不含貴金屬的復合材料中活性位點的確切特性的重要見解，用于光催化降低CO₂。該研究還通過一種新型策略為開發表面光敏化非均相光催化劑的高性能提供了一個新的視角。

文獻鏈接：“Metallic Cobalt–Carbon Composite as Recyclable and Robust Magnetic Photocatalyst for Efficient CO2 Reduction”(Small. DOI: 10.1002/smll.201800762)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

材料測試、數據分析，上測試谷！