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Adv. Sci.:多孔Al2O3負載Ir?CoO活性中心,實現高效持久光熱催化CO2轉化

Adv. Sci.:多孔Al2O3負載Ir?CoO活性中心,實現高效持久光熱催化CO2轉化
與單一的光驅動或傳統的熱催化CO2還原反應相比,熱能和光能耦合的光熱催化過程克服了單一的太陽能驅動催化過程中活性低和熱催化反應條件苛刻的缺點,從而為在相對溫和的條件下實現CO2高效轉化提供了新的途徑。然而,大多數光熱催化劑是由金屬納米顆粒修飾的基于金屬氧化物的半導體制成的,其具有固有的局限性,包括狹窄的光吸收光譜和低的電荷分離效率。
Adv. Sci.:多孔Al2O3負載Ir?CoO活性中心,實現高效持久光熱催化CO2轉化
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基于此,山東大學王鳳龍中科院山西煤炭化學研究所溫曉東等以Ir/CoAl LDH復合材料為前驅體,制備出顯著增強光熱催化CO2轉化為甲烷的Ir?CoO/Al2O3催化劑。其中,CoO載體發揮雙重關鍵作用:
1.形成親密的Ir?CoO界面,加速光誘導電荷載流子的產生和運輸;
2.作為“納米加熱器”,迅速提高活性中心周圍的局部溫度,這有利于CO2分子的吸附和活化。
此外,具有高熱穩定性的Al2O3納米片能有效地抑制微小的Ir?CoO活性中心在反應過程中的聚集,從而保證復合催化劑的長壽命。
Adv. Sci.:多孔Al2O3負載Ir?CoO活性中心,實現高效持久光熱催化CO2轉化
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因此,優化的催化劑(0.16% Ir?CoO/Al2O3)具有優異的CO2RR性能:CH4產率達到128.9 mmol gcat?1 h?1,并具有92%的選擇性和優異的穩定性。相比之下,沒有CoO的Ir/Al2O3在相同條件下表現出更低的催化活性,突出了CoO納米顆粒的重要性。
為了揭示Ir與CoO相互作用的本質,研究人員將Ir納米粒子浸漬在已制備的CoO/Al2O3表面,發現所制備的Ir/CoO/Al2O3催化劑的CH4產率為32 mmol gcat?1 h?1,遠低于Ir?CoO/Al2O3催化劑。此外,原位DRIFTS測試表明,光照射不會改變反應途徑,但有效地提高了反應速率控制步驟。
綜上所述,在光照條件下,Ir與CoO的親密相互作用產生了有效的電荷轉移、增強了光熱效應,以及促進了反應物分子和中間物種的吸附和活化,進而提高了CH4的產率。該項工作提出了一種光熱半導體作為電子供體和作為局域溫度增強的納米加熱器的雙重功能機制,為設計有效的光熱催化劑提供了指導。
Ir-CoO Active Centers Supported on Porous Al2O3 Nanosheets as Efficient and Durable Photo-Thermal Catalysts for CO2 Conversion. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202300122

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