KAUST張華彬課題組Adv. Funct. Mater.: 統一催化劑表面吸附與活化位點促進光催化CO2還原動力學

鋼鐵俠 4天前 256瀏覽

第一作者：馮程洋

通訊作者：張華彬

通訊單位：沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）

論文DOI：10.1002/adfm.202309761

導讀

光催化CO2還原被認為是減輕溫室效應和解決能源危機的可持續策略之一。CO2分子在光催化劑表面的吸附和活化過程對于提高反應的催化效率至關重要，因此構建具有統一吸附和活化位點的光催化劑是提升整體反應動力學的理想解決方案。

成果掠影

對于光催化CO2還原反應，CO2在催化劑表面的吸附和活化是決定反應效率的關鍵因素。但普通光催化劑表面位點信息不明確，CO2吸附位點和光生電子聚集位點的割裂嚴重阻礙了整體反應的動力學。對此，張華彬教授團隊在TiO2多邊納米絨球(TONP)表面成功構筑了Mn單原子位點，可同時充當CO2吸附和光生電子聚集的位點，有效的提高了光催化CO2還原效率。合成的Mn/TONP光催化劑在可見光下可高效將CO2還原為CO，產率高達80.51 mmol g-1 h-1，優于大多數已有光催化劑。

核心創新點

1.本工作制備了表面配位有單分散Mn位點的Mn/TONP光催化劑。單原子Mn通過調節局部配位環境使得d帶中心上移，在不改變比表面積的情況下使CO2吸附量增加了30%。

2.Mn位點可快速提取催化劑表面的光生電子，促進光生載流子分離的同時形成局部電子富集區，有效的促進了CO2的活化。

3.通過統一CO2的吸附和活化位點，獲得了超高的光催化CO2還原活性。

數據概覽

圖1 Mn/TONP光催化劑的形貌結構表征

圖2 同步輻射XAS技術分析Mn單原子的精細配位結構

圖3 Mn/TONP的光催化CO2還原活性及電荷分離

圖4 瞬態吸收光譜解析光生載流子轉移動力學

圖5 DFT計算及原位表征揭示CO2還原反應機理

成果啟示

綜上所述，本工作提出了具有統一吸附和活化位點的光催化劑，用于可見光驅動的CO2還原。統一的CO2吸附和活化位點極大的提升了反應的整體動力學，因此獲得了高達80.51 mmol g-1 h-1的CO產率。此外，本工作還詳盡分析了Mn單原子對光生電荷轉移和富集的動力學過程，為單原子光催化劑的光生電荷分離研究提供了參考。我們的研究結果為開發高效CO2還原光催化劑，將太陽能轉化為化學能提供了一條新途徑。

通訊作者簡介

張華彬教授簡介：2020年12月加入阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）, 化學科學系，擔任獨立PI, 博士生導師。張華彬博士于2013年于中國科學院獲得博士學位，同年于中國科學院擔任助理研究員。2014年至2017年于日本國立物質研究所進行博士后研究。并于2017年3月份加入新加坡南洋理工大學(Research fellow)。長期致力于構筑單原子催化劑在能源轉化與環境優化領域的應用。目前已發表論文/專著章節130余篇，文章引用次數14000余次，H因子60。其中多篇文章以第一/通訊作者發表在Sci. Adv., Joule, Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy等國際著名期刊。

第一作者簡介

馮程洋博士，2021年于湖南大學獲得博士學位。2021年至今，阿卜杜拉國王科技大學博士后（合作導師：張華彬教授）。主要從事光催化碳、氮循環反應機理以及環境水體凈化等領域的研究。目前已發表SCI論文50余篇，文章引用次數4000余次，H因子35。以第一或通訊作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J., Environ. Sci.: Nano等期刊發表SCI論文13篇，授權發明專利3項。

課題組介紹

https://acse.kaust.edu.sa/

Advanced Catalysis of Sustainable Energy (ACSE), headed by Huabin Zhang (Assistant Professor of Chemistry) in the KAUST Catalysis Center.

Lab of ACSE focuses on the development of single-atom catalysts with the particular configuration for sustainable energy conversion, including photocatalysis, electrocatalysis, and thermal catalysis. Our research also extends to the operando investigation for monitoring the structural evolution of the reactive centers, as well as the mutual interaction between the reactive center and reactant in the catalytic process.

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