蘇州大學Nature Energy：納米溫室效應增強的光熱催化二氧化碳還原

前言

利用光催化將二氧化碳轉化為增值的化學燃料是改善全球變暖和能源危機的一個具有極大前景的手段。在此背景下，光熱催化二氧化碳還原已成為一種將CO₂轉化為增值燃料和化學品的有效途徑。與傳統的CO₂光化學催化相比，光熱催化通過將光子轉化為熱來利用太陽光的整個光譜。盡管最近取得了一些進展，但是目前還亟需能夠更加有效收集和利用太陽能的光熱催化劑。

近日，來自蘇州大學的張曉宏、何樂以及加拿大多倫多大學的Geoffrey A. Ozin合作團隊聯合在Nature energy上發表文章，題為：“Greenhouse-inspired supra-photothermal CO₂?catalysis”。文章報道了報道了一種“納米溫室效應”增強的新型催化劑結構，大幅提升了光熱轉換效率和光熱催化性能。該催化劑由多孔二氧化硅包裹的鎳納米顆粒組成 (Ni@p-SiO₂)，在光照條件下鎳顆粒迅速被加熱至較高的溫度，而二氧化硅殼層起到了類似于地球溫室氣體的作用，減少了鎳催化劑向周圍環境的熱輻射散熱，從而實現了極高的光熱效應。此外，二氧化硅殼層的空間限域效應還增強了鎳納米顆粒在高溫反應條件下的抗燒結和積碳能力，催化劑活性和壽命顯著提升。本工作揭示了影響光熱催化劑效率的新因素，為高效光熱催化體系的設計提供了新的思路。

圖文導讀

圖1. Ni@p-SiO₂-30的表征。

a. Ni@p-SiO₂的制備過程示意圖。

b, c. Ni@p-SiO₂的TEM圖。

d. Ni@p-SiO₂的HRTEM圖。

e. ?Ni@p-SiO₂的SAED圖。

f . Ni@p-SiO₂的STEM圖。

g-i. Ni@p-SiO₂的EDS圖。

圖2. 增強光照效應

a.?2.8 W cm^?2光照下不同樣品的表面溫度。

b.不同催化劑在不同光照下的T_local值。

圖3. 類似溫室效應

a. 地球溫室效應示意圖。

b. Ni@p-SiO₂-30中納米尺度溫室效應示意圖。

c. Ni@p-SiO₂-30中去除Ni得到的多孔硅殼的紅外光譜。

d. 不同溫度下黑體輻射的理論光譜。

圖4. 熱穩定性

a,b. Ni@p-SiO₂-30和Ni-NC在不同溫度下的原位X射線衍射圖。

c,d. Ni@p-SiO₂-30和Ni-NC在550 °C連續工作10小時條件下的暗反應熱催化CO₂加氫穩定性測試。

圖5. 光熱催化性能

a. 不同Ni催化劑在不同光照條件下的CO₂轉化速率。

b. 不同Ni催化劑在不同光照條件下的的CO選擇性。

c,d. Ni@p-SiO₂-30在2.8 W cm^?2條件下的光熱催化循環性能測試。

小結

本文開發了一種溫室效應啟發的超光熱催化劑結構，其性能優于傳統的光熱催化劑設計。在相同光照條件下，Ni@p-SiO₂中含有納米多孔二氧化硅殼層的鎳納米晶芯所獲得的T_local比Ni-NC和Ni/SiO₂·Al₂O₃高出幾十度。此外，在反應條件下，二氧化硅外殼阻止了納米鎳粒子的燒結和積碳。該核殼催化劑采用廉價和地球上含量豐富的元素，能夠高效穩定地將CO₂和可再生能源制取的H₂轉化為有價值的化學品和燃料。未來將集中重點研究光對光熱催化反應的影響機制。本文的研究為光熱催化劑的設計原理提供了新的思路，并代表了邁向可持續太陽能燃料行業的關鍵一步。

本工作得到國家自然科學基金（51920105005, 51802208, 21902113, 51821002, 91833303）和江蘇省自然科學基金（BK20200101）的資助。

文獻信息：Greenhouse-inspired supra-photothermal CO₂?catalysis. Nature energy, 2021, DOI: 10.1038/s41560-021-00867-w.?

張曉宏教授簡介鏈接：http://funsom.suda.edu.cn/7f/8d/c2735a32653/page.htm

何樂教授簡介鏈接：http://funsom.suda.edu.cn/7f/a4/c2735a32676/page.htm

本文由納米小白供稿。