苏州大学Nature Energy：纳米温室效应增强的光热催化二氧化碳还原

前言

利用光催化将二氧化碳转化为增值的化学燃料是改善全球变暖和能源危机的一个具有极大前景的手段。在此背景下，光热催化二氧化碳还原已成为一种将CO₂转化为增值燃料和化学品的有效途径。与传统的CO₂光化学催化相比，光热催化通过将光子转化为热来利用太阳光的整个光谱。尽管最近取得了一些进展，但是目前还亟需能够更加有效收集和利用太阳能的光热催化剂。

近日，来自苏州大学的张晓宏、何乐以及加拿大多伦多大学的Geoffrey A. Ozin合作团队联合在Nature energy上发表文章，题为：“Greenhouse-inspired supra-photothermal CO₂ catalysis”。文章报道了报道了一种“纳米温室效应”增强的新型催化剂结构，大幅提升了光热转换效率和光热催化性能。该催化剂由多孔二氧化硅包裹的镍纳米颗粒组成 (Ni@p-SiO₂)，在光照条件下镍颗粒迅速被加热至较高的温度，而二氧化硅壳层起到了类似于地球温室气体的作用，减少了镍催化剂向周围环境的热辐射散热，从而实现了极高的光热效应。此外，二氧化硅壳层的空间限域效应还增强了镍纳米颗粒在高温反应条件下的抗烧结和积碳能力，催化剂活性和寿命显著提升。本工作揭示了影响光热催化剂效率的新因素，为高效光热催化体系的设计提供了新的思路。

图文导读

图1. Ni@p-SiO₂-30的表征。

a. Ni@p-SiO₂的制备过程示意图。

b, c. Ni@p-SiO₂的TEM图。

d. Ni@p-SiO₂的HRTEM图。

e.  Ni@p-SiO₂的SAED图。

f . Ni@p-SiO₂的STEM图。

g-i. Ni@p-SiO₂的EDS图。

图2. 增强光照效应

a. 2.8 W cm⁻²光照下不同样品的表面温度。

b.不同催化剂在不同光照下的T_local值。

图3. 类似温室效应

a. 地球温室效应示意图。

b. Ni@p-SiO₂-30中纳米尺度温室效应示意图。

c. Ni@p-SiO₂-30中去除Ni得到的多孔硅壳的红外光谱。

d. 不同温度下黑体辐射的理论光谱。

图4. 热稳定性

a,b. Ni@p-SiO₂-30和Ni-NC在不同温度下的原位X射线衍射图。

c,d. Ni@p-SiO₂-30和Ni-NC在550 °C连续工作10小时条件下的暗反应热催化CO₂加氢稳定性测试。

图5. 光热催化性能

a. 不同Ni催化剂在不同光照条件下的CO₂转化速率。

b. 不同Ni催化剂在不同光照条件下的的CO选择性。

c,d. Ni@p-SiO₂-30在2.8 W cm⁻²条件下的光热催化循环性能测试。

小结

本文开发了一种温室效应启发的超光热催化剂结构，其性能优于传统的光热催化剂设计。在相同光照条件下，Ni@p-SiO₂中含有纳米多孔二氧化硅壳层的镍纳米晶芯所获得的T_local比Ni-NC和Ni/SiO₂·Al₂O₃高出几十度。此外，在反应条件下，二氧化硅外壳阻止了纳米镍粒子的烧结和积碳。该核壳催化剂采用廉价和地球上含量丰富的元素，能够高效稳定地将CO₂和可再生能源制取的H₂转化为有价值的化学品和燃料。未来将集中重点研究光对光热催化反应的影响机制。本文的研究为光热催化剂的设计原理提供了新的思路，并代表了迈向可持续太阳能燃料行业的关键一步。

本工作得到国家自然科学基金（51920105005, 51802208, 21902113, 51821002, 91833303）和江苏省自然科学基金（BK20200101）的资助。

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

张晓宏教授简介链接：http://funsom.suda.edu.cn/7f/8d/c2735a32653/page.htm

何乐教授简介链接：http://funsom.suda.edu.cn/7f/a4/c2735a32676/page.htm

本文由纳米小白供稿。