重磅! 泊菲莱科技Labsolar-6A荣登Nature Energy(IF>60)

喜报！

恭喜苏州大学张晓宏教授与何乐教授团队于2021年7月，在Nature Energy杂志在线发表光热催化CO₂还原领域的最新研究成果。文中所使用的重要反应设备为泊菲莱科技的明星产品Labsolar-6A全玻璃自动在线微量气体分析系统和PLS-SXE 300D氙灯光源。这是泊菲莱科技所售产品发表在Nature(586, 2020, 549–554)和Science(347, 2015, 970-974)后，所刊登杂志的影响因子再创新高！这也充分说明行业的蓬勃发展！未来可期！

泊菲莱科技成立十五年来，秉着“以客户为中心”的理念，深耕光化学/光物理等相关研究领域，凭借对行业的深入理解，不断探索更先进、更新颖的测试表征仪器，以支持并加速相关科学技术领域的发展与突破。

前言
该工作报道了一种具有纳米温室效应的核壳结构纳米催化剂用于光热催化CO₂还原，实现了与传统的光热催化剂相比增强的光热催化性能。为实现可持续太阳能催化CO₂还原的工业化愿景迈出了重要一步。

第一作者：蔡木锦、吴之怡、李曌

通讯作者：苏州大学何乐教授、张晓宏教授和多伦多大学Geoffrey A. Ozin教授

DOI：10.1038/s41560-021-00867-w

本文亮点

在本研究工作中，受温室效应启发，我们设计了一种核壳结构的纳米催化剂，实现了与传统的光热催化剂相比增强的光热催化性能。这种“温室模拟物”由纳米多孔二氧化硅包裹的镍纳米晶体组成，表示为Ni@p-SiO₂。光照条件下，纳米多孔二氧化硅护套的隔热和红外线屏蔽作用，导致Ni@p-SiO₂的微观局部温度（T_local）升高，从而实现了增强的光热效应。与纯纳米晶体（Ni-NC）以及二氧化硅-氧化铝负载的镍催化剂（Ni/SiO₂·Al₂O₃）相比，Ni@p-SiO₂在光热和热RWGS和Sabatier反应中表现出增强的催化活性（8.8和12.8倍）和长期稳定性（抗烧结、避免活性损失），这可能归因于镍纳米晶体在纳米多孔SiO₂中的空间限制效应。本工作为实现可持续太阳能催化CO₂还原的工业化愿景迈出了重要一步，为构筑高效光热催化体系提供了新的思路。

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个有吸引力的选择。在此背景下，光热催化已成为将CO₂转化为高附加值燃料和化学品的有效途径。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太阳光的整个光谱。发展能够有效地收集和利用太阳光的能量来催化二氧化碳还原反应的材料，构筑高效光热催化体系，依然是该领域的研究前沿和热点。

图表解析
图1. Ni@p-SiO₂-30催化剂的表征

Ni@p-SiO₂-30催化剂的表征。

首先，我们采用两步法得到了核壳结构的Ni@p-SiO₂催化剂（图1a-c）。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像表明，沿相邻特定方向的两个相邻平面之间的距离为0.2 nm，与Ni（111）平面的晶格间距一致（图1d）。单个Ni@p-SiO₂颗粒的选区电子衍射（SAED）图像，也揭示了多晶Ni核的形成（图1e）。通过粉末X射线衍射（PXRD）中44.6°处最强峰的半峰宽计算得出，Ni纳米晶体的晶粒尺寸约为8 nm。元素分布图表明，Si元素和O元素均匀地分布在整个纳米片上，而Ni元素仅存在于核中（图1f-i）。同时使用另外两种Ni催化剂（Ni-NC和商业催化剂Ni/SiO₂·Al₂O₃）作为对照。

图2. 增强光热效应

Ni@p-SiO₂-30具有增强的光热效果。

光热催化的一个关键挑战是精确测量纳米级催化剂的T_local，因为由于热量产生的局部性质，催化剂和周围环境之间可能存在很大的温度梯度。为了验证关于核壳结构中温室效应的假设，我们使用两种不同的方法研究了Ni催化剂增强的光热效应。直接接触式热电偶记录了不同催化剂薄膜在2.8 W·m^-2模拟太阳光照射下的表面温度。结果表明，Ni@p-SiO₂-30、Ni/SiO₂·Al₂O₃和Ni-NC的稳定表面温度分别为334、314和300 °C(图2a)。虽然热电偶测量的催化膜的宏观温度可能远低于镍纳米颗粒的T_local，但这一趋势表明核壳结构的光热效应最好。另一种方法是，当光催化CO₂加氢反应达到平衡状态时，根据不同气体的组成估计催化剂的T_local（图2b）。结果进一步表明，在三种催化剂中，Ni@p-SiO₂-30在相同条件下表现出最强的光热效应。

光热效应的一个关键特征是纳米级系统中的局部发热性质。与二氧化硅相比，镍金属对太阳光的吸收贡献更大，导致催化剂和周围环境之间产生温度梯度。而黑体辐射、热传导和对流都有助于从“热”Ni纳米粒子到其周围环境的热量损失，并决定Ni的温度(T_local)。计算结果表明，热辐射和对流是散热的两个主要因素。具体而言，在2.8 W·m^-2光照下，热辐射、传导和对流对Ni纳米粒子(Ni-NC)的总散热的贡献分别为~35%、4%和61%。与其他两个样品相比，核壳结构的Ni@p-SiO₂-30催化剂减少了从光照加热的Ni纳米颗粒到周围环境的热损失。首先，二氧化硅外壳作为绝缘层，减缓了催化剂和玻璃纤维基底之间的热传导；其次，二氧化硅层还可以通过吸收和散射来捕获从“热”镍核辐射的红外光，类似于温室气体（图3a、b）。计算表明，热辐射减少43%会导致Ni纳米颗粒的T_local增加60 K。而根据模拟和实验结果，纳米多孔二氧化硅壳的红外屏蔽对核壳结构催化剂的增强光热效应。图3. Ni@p-SiO₂-30中增强的光热效应源于SiO₂外壳的红外屏蔽作用

SiO₂的保护作用增加了Ni@p-SiO₂-30的热稳定性。

核壳结构的另一个优点是空间受限的 Ni 纳米粒子在高温下烧结时具有优异的稳定性。热催化CO₂氢化的实验结果表明，在连续10 h的测试过程中，Ni@p-SiO₂-30的CO₂转化率和产物选择性均未发生变化（图 4c、d）。与此形成鲜明对比的是，Ni-NC和Ni/SiO₂·Al₂O₃的活性分别下降了30%和20%。这些结果清楚地表明，二氧化硅外壳保护包封的镍纳米粒子在高温下不会烧结，进一步证实了Ni@p-SiO₂在光热催化中的巨大潜力。

图4. Ni@p-SiO₂-30核壳催化剂高温条件下的热稳定性

Ni@p-SiO₂-30催化剂增强的光热催化性能。

我们在大气压下操作的间歇反应器中测试了不同Ni催化剂在光热CO₂加氢催化性能（图5）。结果表明，Ni@p-SiO₂-30样品在所有光照条件下都优于其他两种催化剂，尤其是在高光强度2.8 W·m^-2下，Ni@p-SiO₂-30的CO₂转化速率达到344 mmol·g_Ni^-1·min^-1（或20.6 mol·g_Ni^-1·h^-1），分别是Ni-NC和Ni/SiO₂·Al₂O₃的12.3倍和8.8倍。此外，Ni@p-SiO₂-30样品在2.8 W·m^-2下连续测试10个循环（每个循环10 min），观察到稳定的CO₂转化率。TEM研究表明，核壳结构在10次测试循环后保持完整并且没有结焦。相比之下，Ni-NC和Ni/SiO₂·Al₂O₃则显示出明显的结焦。这些结果表明，二氧化硅可以防止Ni核烧结和结焦，这对Ni@p-SiO₂-30催化剂的优异稳定性至关重要。

图5. Ni@p-SiO₂-30核壳催化剂光热催化CO₂加氢性能纳米温室效应的重要意义。我们的研究表明，将T_local从806 K（2.4 W·m^-2）增加到852 K（2.8 W·m^-2），不仅可以使早期催化活性增加三倍，缩短达到平衡的时间，而且还可以将平衡CO₂转化率从42 %增加到54%，并将CO选择性从71%增加到83%（表1）。从太阳能燃料生产的角度来看，净能量是通过吸热的RWGS反应而不是放热的Sabatier反应获得和化学存储的。换句话说，CO的产生更有利于太阳能到化学能的转换。表1 Ni@p-SiO₂-30在不同T_local处的光热催化性能

Tlocal	R10min[c]	teq[d]	Conversion for CO2[e]	Selectivity for CO[f]
806 K[a]	111	2 hours	42 %	71%
852 K[b]	344	1 hour	54%	83%

全文小结

本研究开发了一种具有纳米温室效应的超光热催化剂结构，其光热催化CO₂加氢性能明显优于传统的光热催化剂。在相同的光照条件下，Ni@p-SiO₂中具有纳米多孔二氧化硅外壳的镍纳米晶核所达到的局部温度比裸露的镍纳米晶（Ni-NC）以及负载在二氧化硅-氧化铝上的镍纳米晶体（Ni/SiO₂·Al₂O₃）的局部温度高几十度。此外，在反应条件下，二氧化硅外壳可以保护包封的Ni纳米颗粒免于烧结和焦化。因此，基于廉价和富含地球的元素，核壳催化剂可以以超高的速率和优异的稳定性将CO₂和可再生的H₂转化为有价值的化学品和燃料。未来的研究将集中于光对光热催化反应的影响。本研究为光热催化剂的设计原理提供了新的见解，并代表了迈向可持续太阳能燃料行业的关键一步。

作者介绍

何乐，苏州大学教授

主要研究方向为：气相光催化二氧化碳还原，致力于解决现有体系在活性、选择性与稳定性方面存在的不足，加深对光催化机制与反应机理的理解。

在Nat. Commun.、Acc. Chem. Res、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Joule、Nano Lett.等期刊发表文章90余篇，论文总引用4000余次，SCI H-index为38。已获授权美国发明专利2项；撰写国际专著三部（章）；受邀担任20余个国际主流学术期刊审稿人。

课题组链接：

http://funsom.suda.edu.cn/7f/a4/c2735a32676/page.htm 

文献信息：

Mujin Cai, Zhiyi Wu, Zhao Li et. al. Greenhouse-inspired supra-photothermal CO₂ catalysis. Nature Energy 2021, 6, 807–814.

北京泊菲莱科技有限公司作为国内光催化科研仪器的创领者，致力于多场景、跨领域的仪器应用、开发。公司近年来在深耕光催化研究领域的同时，在多场催化、多种复合能量场方面取得了一系列成果。公司近期推出的多功能光化学反应仪、光化学工作站、光热催化反应系统等设备，进一步拓宽产品在光、电、热、压等多种复合能量场方面的应用。

产品推荐
点击此处“阅读全文”查看更多内容