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　　第一作者：蔡、 　　

　　

　　通讯员：杰佛里奥金、贺乐、张晓红 　　

　　

　　交流单位：多伦多大学、苏州大学 　　

　　

　　纸doi:https://doi.org/10.1038/s41560-021-00867-w 　　

　　

　　全文速览 　　

　　

　　利用太阳能将二氧化碳光催化转化为燃料是摆脱对化石燃料依赖的一种有前途的方法。光催化CO2也是实现这一目标的方法，但需要改进相应的材料，以便更有效地收集和利用太阳能。在这里，作者报道了一种受温室效应启发的超光热催化剂结构。与传统的光热催化剂设计相比，这种结构提高了二氧化碳加氢催化剂的性能。该催化剂由纳米多孔二氧化硅包覆的镍纳米晶(Ni@p-SiO2)组成，对甲烷化和逆水煤气变换反应具有高催化活性。在光照下，Ni@p-SiO2的局部温度超过没有SiO2壳的镍基催化剂。认为SiO2 _ 2壳的隔热和红外屏蔽限制了镍核的光热能量，从而实现了超光热效应。由于空间限制效应，Ni @ p-SiO _ 2提高了烧结和结焦催化剂的长期稳定性。 　　

　　

　　背景介绍 　　

　　

　　利用太阳能将二氧化碳光催化转化为具有附加值的化学燃料，是缓解全球变暖和能源危机的一条有前途的途径。在此背景下，光热CO2催化成为将CO2转化为高附加值燃料和化学品的有效途径之一。与传统的光化学CO2催化相比，光热催化通过将光子转化为热量来利用阳光的整个光谱。然而，目前的催化剂仍需要增强其光热效应，以提高太阳能转化为化学能的效率。尽管最近在这一领域已经取得了一些进展，但是仍然需要能够更有效地收集和利用太阳能的改进的光热催化剂。 　　

　　

　　受全球变暖的温室效应的启发，作者在这里设计了一种催化剂结构，可以实现超热甲烷化和逆水煤气变换(RWGS)催化。这些“温室模拟物”由镍纳米晶体和纳米多孔二氧化硅壳组成，被称为Ni@p-SiO2。当在阳光下工作时，光子带隙和带中电子的非辐射弛豫将加热镍纳米晶核。纳米多孔二氧化硅壳的隔热和红外屏蔽作用限制了镍核的热能，从而提供了超光热效应。Ni@p-SiO2实现的微观局部温度(Tlocal)高于裸镍纳米晶(Ni-NC)和二氧化硅-氧化铝负载的镍催化剂(Ni/SiO 2 al2o 3)。与Ni-NC和Ni@p-SiO2 _ 2 Al _ 2 O _ 3相比，Ni @ P-SiO _ 2由于纳米多孔二氧化硅中Ni纳米晶的空间限制效应，长期稳定性提高，不易烧结和结焦。 　　

　　

　　图文解析 　　

　　

　　 　　

　　

　　图一。Ni @ p-SiO2-30的表征。一、Ni@p-SiO2制备过程示意图。硼、碳、镍@磷-二氧化硅的透射电子显微镜图像。D，Ni@p-SiO2的HRTEM图像。镍@磷-二氧化硅的SAED花样。f-i、Ni@p-SiO2的STEM图像(F)和能量色散X射线谱(EDS)的元素映射图(g-i)。 　　

　　

　　 　　

　　

　　2.光热效应增强。a、不同样品在2.8wcm-2光照下的表面温度曲线。不同催化剂在不同光照下的位置。这条线代表标准偏差，它来自同一催化剂的三次独立测量。 　　

　　

　　 　　

　　

　　图3。温室效应。一、全球温室效应示意图。B，Ni@p-SiO2-30中纳米尺度温室效应示意图。c，从Ni@p-SiO2-30中除去Ni得到的多孔二氧化硅壳的FTIR光谱。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，Ni-NC在吗？ 　　

同温度下的原位 X 射线衍射图（b 是 a 中虚线框表示的区域的放大）。 c,d，在黑暗条件下，在流动反应器中连续 10 h 测试，Ni@p-SiO2-30 和 Ni-NC 在 550 °C 下催化 CO2 氢化的性能。

　　

　　

　　

　　

图 5. 光热催化性能。a、CO2转化率。 b，不同Ni催化剂（反应时间，10 分钟）在不同光强下光热CO2加氢的CO选择性。c,d，Ni@p-SiO2-30 在 2.8 W cm-2 下催化 CO2 加氢的性能（在没有外部加热的间歇式反应器中测试 10 个循环，每个循环持续 10 分钟）。 误差线代表标准差，来自同一催化剂的三个独立测量结果。

　　

　　

　　

表1. Ni@p-SiO2-30在不同Tlocal下的光热催化性能。

　　

　　

a 光强度为 2.4 W cm-2。

　　

b 光强度为 2.8 W cm-2。

　　

c 在无外部加热的间歇式反应器中测试的 CO2 光热加氢反应时间为 10 分钟时，Ni@p-SiO2-30 的 CO2 转化率（单位 mmol gNi-1 min-1）。

　　

d 达到平衡所需的反应时间。

　　

e 平衡时 CO2 的转化程度。

　　

f 平衡时的 CO 选择性。

　　

　　

　　

总结与展望

　　

上述结果表明，作者开发了一种受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 中具有纳米多孔二氧化硅壳的镍纳米晶核实现的Tlocal 比 Ni-NC 以及 Ni/SiO2Al2O3 高几十度。此外，二氧化硅外壳保护的镍纳米粒子在反应条件下不会烧结和焦化。因此，核壳催化剂可以将 CO2 和可再生 H2 转化为有价值的化学品和燃料，并具有具有出色的转化速率和优异的长期稳定性。未来的研究将集中于研究光对光热催化反应的影响。该研究深入了解了光热催化剂的设计原理，迈出了可持续太阳能燃料行业的关键一步。

　　

　　

　　

文献来源

　　

Cai, M., Wu, Z., Li, Z. et al. Greenhouse-inspired supra-photothermal CO2 catalysis. Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00867-w

　　

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