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北京農(nóng)學(xué)院高娃和北大馬丁團(tuán)隊(duì)在光熱催化CO?轉(zhuǎn)化利用研究方面取得新進(jìn)展
來(lái)源：北京農(nóng)學(xué)院科學(xué)技術(shù)處 2023-09-22
導(dǎo)讀：近日，北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院高娃副教授和北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果“Advances in photothermal conversion of carbon dioxide to solar fuels”被能源化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)軍期刊《能源化學(xué)》（Journal of Energy Chemistry；影響因子13.5，中科院一區(qū)）接收。本論文從光熱催化反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、反應(yīng)機(jī)理、催化劑種類(lèi)和最新研究成果等方面綜述了光熱催化CO2轉(zhuǎn)化利用的研究進(jìn)展，并對(duì)目前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了深入思考和前瞻性展望。
過(guò)度碳排放導(dǎo)致大氣中溫室氣體CO2濃度逐年升高。根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的報(bào)告，截至今年4月份，大氣中CO2濃度已達(dá)到423.3 ppm。溫室效應(yīng)引發(fā)的全球氣候問(wèn)題給人類(lèi)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)。在“碳達(dá)峰，碳中和”的明確目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“3060”雙碳目標(biāo)必須采取強(qiáng)有力的措施來(lái)減少溫室氣體CO2排放。其中，利用太陽(yáng)能將CO2光催化轉(zhuǎn)化為附加值高的化學(xué)燃料是緩解全球變暖和解決能源危機(jī)的一條有效途徑（圖1）。從熱力學(xué)角度來(lái)分析，光熱催化過(guò)程可實(shí)現(xiàn)將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇、烯烴和烷烴等高附加值化學(xué)品。與傳統(tǒng)的光催化CO2體系相比，光熱催化基于光化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)途徑之間的協(xié)同作用，能夠顯著提高催化活性，并調(diào)控催化反應(yīng)路徑和選擇性。然而，盡管已取得了一定進(jìn)展，該體系仍面臨轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)物選擇性差以及光能利用率低等挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展吸收范圍寬、光熱轉(zhuǎn)換優(yōu)異且催化活性高的光熱催化劑依然是這一領(lǐng)域亟需攻克的難題。同時(shí)，對(duì)于理解和提升光熱催化性能而言，深入認(rèn)識(shí)光熱效應(yīng)以及光熱協(xié)同作用也至關(guān)重要。圖1 光熱催化轉(zhuǎn)化CO2過(guò)程示意圖針對(duì)上述問(wèn)題，該綜述對(duì)光熱CO2轉(zhuǎn)化領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展進(jìn)行了更新和討論。首先，簡(jiǎn)要介紹了光熱CO2轉(zhuǎn)化的基本原理，包括光催化和熱催化的原理以及四種不同類(lèi)型的光熱催化轉(zhuǎn)化過(guò)程（圖2）；詳細(xì)描述了用于CO2轉(zhuǎn)化的典型光熱催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括等離子體金屬、半導(dǎo)體材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米催化劑等。其中，重點(diǎn)介紹了等離子體納米粒子形貌和尺寸的調(diào)變、半導(dǎo)體材料中缺陷位結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵因素對(duì)光熱催化轉(zhuǎn)化CO2性能的影響規(guī)律；進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)并討論了光熱催化轉(zhuǎn)化CO2路徑在催化性能方面的優(yōu)勢(shì)，包括增強(qiáng)CO2分子的活化能力、調(diào)控對(duì)不同類(lèi)型太陽(yáng)能燃料的選擇性以及避免了催化劑在光熱過(guò)程中的燒結(jié)和積碳問(wèn)題；最后，介紹了這一前沿領(lǐng)域未來(lái)的研究趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，包括探索光熱催化技術(shù)新路徑，開(kāi)發(fā)高效、可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)效益高的多功能光熱催化劑。此外，還介紹了通過(guò)先進(jìn)的原位表征技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)物質(zhì)以及催化劑微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化等信息對(duì)于深入了解光熱催化轉(zhuǎn)化CO2反應(yīng)機(jī)制的重要性。我們希望該綜述能夠在全面理解光熱協(xié)同作用的基礎(chǔ)上為合理設(shè)計(jì)將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品的光熱催化劑提供更多的創(chuàng)新思路。圖2 光熱催化劑的設(shè)計(jì)思路及作用原理北京農(nóng)學(xué)院為本論文第一完成單位，高娃副教授為本論文的第一作者和通訊作者，北京大學(xué)的馬丁教授和University of New Haven的肖德泉教授為本論文的共同通訊作者。該工作得到了北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495623002528
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