KAUST张华彬课题组Adv. Funct. Mater.: 统一催化剂表面吸附与活化位点促进光催化CO2还原动力学

第一作者：冯程洋

通讯作者：张华彬

通讯单位：沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）

论文DOI：10.1002/adfm.202309761

导读

光催化CO₂还原被认为是减轻温室效应和解决能源危机的可持续策略之一。CO₂分子在光催化剂表面的吸附和活化过程对于提高反应的催化效率至关重要，因此构建具有统一吸附和活化位点的光催化剂是提升整体反应动力学的理想解决方案。

成果掠影

对于光催化CO₂还原反应，CO₂在催化剂表面的吸附和活化是决定反应效率的关键因素。但普通光催化剂表面位点信息不明确，CO₂吸附位点和光生电子聚集位点的割裂严重阻碍了整体反应的动力学。对此，张华彬教授团队在TiO₂多边纳米绒球(TONP)表面成功构筑了Mn单原子位点，可同时充当CO₂吸附和光生电子聚集的位点，有效的提高了光催化CO₂还原效率。合成的Mn/TONP光催化剂在可见光下可高效将CO₂还原为CO，产率高达80.51 mmol g^-1 h^-1，优于大多数已有光催化剂。

核心创新点

1.本工作制备了表面配位有单分散Mn位点的Mn/TONP光催化剂。单原子Mn通过调节局部配位环境使得d带中心上移，在不改变比表面积的情况下使CO₂吸附量增加了30%。

2.Mn位点可快速提取催化剂表面的光生电子，促进光生载流子分离的同时形成局部电子富集区，有效的促进了CO₂的活化。

3.通过统一CO₂的吸附和活化位点，获得了超高的光催化CO₂还原活性。

数据概览

图1 Mn/TONP光催化剂的形貌结构表征

图2 同步辐射XAS技术分析Mn单原子的精细配位结构

图3 Mn/TONP的光催化CO₂还原活性及电荷分离

图4 瞬态吸收光谱解析光生载流子转移动力学

图5 DFT计算及原位表征揭示CO₂还原反应机理

成果启示

综上所述，本工作提出了具有统一吸附和活化位点的光催化剂，用于可见光驱动的CO₂还原。统一的CO2吸附和活化位点极大的提升了反应的整体动力学，因此获得了高达80.51 mmol g^-1 h^-1的CO产率。此外，本工作还详尽分析了Mn单原子对光生电荷转移和富集的动力学过程，为单原子光催化剂的光生电荷分离研究提供了参考。我们的研究结果为开发高效CO₂还原光催化剂，将太阳能转化为化学能提供了一条新途径。

通讯作者简介

张华彬教授简介：2020年12月加入阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）, 化学科学系，担任独立PI, 博士生导师。张华彬博士于2013年于中国科学院获得博士学位，同年于中国科学院担任助理研究员。2014年至2017年于日本国立物质研究所进行博士后研究。并于2017年3月份加入新加坡南洋理工大学(Research fellow)。长期致力于构筑单原子催化剂在能源转化与环境优化领域的应用。目前已发表论文/专著章节130余篇，文章引用次数14000余次，H因子60。其中多篇文章以第一/通讯作者发表在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等国际著名期刊。

第一作者简介

冯程洋博士，2021年于湖南大学获得博士学位。2021年至今，阿卜杜拉国王科技大学博士后（合作导师：张华彬教授）。主要从事光催化碳、氮循环反应机理以及环境水体净化等领域的研究。目前已发表SCI论文50余篇，文章引用次数4000余次，H因子35。以第一或通讯作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J., Environ. Sci.: Nano等期刊发表SCI论文13篇，授权发明专利3项。

课题组介绍

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.