北科大Small: 金属钴-碳复合材料作为可回收和可逆的磁性光催化剂用于高效减少二氧化碳排放

【引言】

由于化石燃料的枯竭和日常需求的增加，工业生产和日常生活相关的大量人为二氧化碳的排放导致了全球变暖和环境危机。因此，将二氧化碳转化为增值化学燃料是解决当前和未来能源供应需求的迷人的方法。太阳能驱动的光催化二氧化碳还原成化学燃料被认为是解决能源和环境问题的最佳方法之一。尽管已经报道了许多太阳能活性催化剂用于CO₂还原，但是它们中的大多数具有低能量转换效率，不可控制的选择性和不稳定性。非均相半导体催化剂在光催化CO₂还原中表现出较差的活性和选择性，因为它们具有宽的能带隙性质，仅允许吸收一小部分太阳光谱。同时，均相分子催化剂还提供了光催化CO₂还原的替代策略，因为它们具有更好的光利用效率和对CO₂还原的低活化要求。然而，均相催化体系自身存在一些缺点，例如涉及高成本，耗时的合成程序，不稳定和不可重复使用，这严重阻碍了它们在光催化中的实际应用。因此，具有高转换效率和二氧化碳减排选择性的高活性和创新型光催化系统的设计和制造仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，北京科技大学于然波教授联合国家纳米科学中心唐智勇研究员（共同通讯作者）提出了一种基于光敏多孔金属和磁性Co-C复合物的人造光系统来进行CO₂还原。 有趣且令人印象深刻的是，金属有机骨架（MOFs）与钌光敏剂相结合的多孔金属磁性Co-C复合材料非常少用于光催化CO₂还原。作者推测，通过用表面光敏多孔金属和磁性1200Co-C复合材料（PMMCoCC-1200）代替均匀的钴配合物可以实现突破，该复合材料用于实现表面激发态电子超快速输送，从而使得CO₂还原成CO。这是第一次提出回收金属和磁性复合材料与有机分子复合物混合，以实现高效的二氧化碳减排。相关研究成果“Metallic Cobalt–Carbon Composite as Recyclable and Robust Magnetic Photocatalyst for Efficient CO2 Reduction”为题发表在Small上。

【图文导读】

图一 Co74s和PMMCoCC-1200的物相表征

（a）Co74s的TEM图像

（b）Co7s的XRD图案（插图是晶体结构的Co74。）

（c）PMMCoCC-1200的大面积SEM图像（插图是PMMCoCC-1200的放大图像）

（d）PMMCoCC-1200的TEM图像和相应的SAED图像

（e）PMMCoCC-1200的XRD图谱（插图是金属钴的晶体结构）

（f）PMMCoCC-1200的元素映射图像

图二 PMMCoCC-1200的基本特性

（a）HRTEM图像（插图是相应的典型SAFFT模式）

（b）拉曼光谱（激发波长为514nm）

（c）TG分析光谱

（d）O 1s和Co 2p的XPS光谱

（e）来自DRS的吸收光谱（插图图像是带隙计算= 0.5eV）

（f）磁滞回线图像

图三 催化性能表征

（a）CO（红色正方形点）和H₂（黑色球形点）随着PMMCoCC-1200照射可见光而反应延长

（b）PMMCoCC-1200在循环测试中6小时内产生的CO和H₂的产率

（c）不同煅烧温度下碳化样品的碳（I_D/I_g）的拉曼光谱表征与CO₂光催化还原活性之间的关系

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

（e）分别使用市售钴粉，Co74s，铁粉，石墨烯在相同条件下进行对照实验的前6小时的CO和H₂的平均产率

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

图四 催化机理与理论计算

（a）光催化还原CO₂还原为CO的机理

（b）能级的示意图，显示从Ru(bpy)₃ ²⁺到PMMCoCC-1200的电子转移。 EF：费米水平; LUMO：最低未占分子轨道; HOMO：最高占据分子轨道

【小结】

总之，PMMCoCC复合材料的可调结构和含量来源于超声波方法制备的Co74s。PMMCoCC-1200具有更均匀的形貌，高度的石墨化，更方便的磁再循环性，被证明是优异的二氧化碳还原多相光催化剂; 例如，高效率的活性，其数量级高于单个Ru复合物，突出的稳定性，在三次重复反应后活性衰减可忽略不计。由于金属钴活性位点和具有超电子导电性的石墨烯碳的存在，金属钴和石墨烯碳的协同作用促进了光催化CO₂更有效地还原成CO。值得注意的是，这是第一次提出结合Ru(bpy)₃²⁺的多孔金属和磁性材料，其用于获得优化的光催化CO²还原。对PMMCoCC-1200的理解不仅为开发用于太阳能转换的高效耐用的磁性光催化剂提供了指导，而且还提供了对这种不含贵金属的复合材料中活性位点的确切特性的重要见解，用于光催化降低CO₂。该研究还通过一种新型策略为开发表面光敏化非均相光催化剂的高性能提供了一个新的视角。

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

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

材料测试、数据分析，上测试谷！