Nature Energy封面: 高效人工光和作用光催化CO2还原制甲醇

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化石燃料的日益衰竭, 全球气候变暖使得低碳经济变得日益迫切, 人工光和作用CO₂还原的方法在提供了清洁可再生能源的同时，也可对工业化生产和汽车尾气中过剩的CO₂进行减排。光催化较电催化，免去了二次能量转化损失的问题, 是一步直接将太阳能转化为清洁燃料的更优方案，在工业上拥有更加广阔的应用前景。

为了在这方面取得进展, 很多课题组开展了这方面的研究。近日，由加拿大滑铁卢大学吴一民教授和美国阿贡国家实验室TijanaRajh博士/刘玉资博士研究团队合作的最新研究工作为进一步解决光催化CO₂还原提供了更全面和深入的理解。该工作于2019年11月4日在线发布并将作为封面文章在最新一期Nature Energy上正式发表 。

该工作首次在真实催化条件下(1个大气压，光照)，通过整合原位多模式环境透射电子显微镜, 原位同步辐射X射线荧光成像，原位电子能量损失谱，原位X射线吸收谱，同步辐射高分辨X射线衍射，以及电子自旋共振谱的表征，并结合密度泛函理论计算，发现纳米颗粒光催化材料Cu₂O在其（110）晶面具有活性位点，而其（100）晶面不具有活性位点。（110）晶面在CO₂和H₂O共吸附时发生了化学重构，活性位点的氧化状态从一价铜转变为二价铜，同时也有Cu纳米团簇形成。这些Cu纳米团簇和（110）晶面本身的共同作用得到了高选择性，高效率的CO₂还原制甲醇的催化剂。

图1. Cu₂O光催化剂的结构分析和性能表征

当CO₂转化完成后，活性位点又在光照下转变回原本的一价铜。CO₂吸附在Cu₂O表面时，能够造成Cu₂O晶体结构的膨胀，而H₂O吸附能造成Cu₂O晶体结构的收缩。这种由于化学吸附造成的静电场变化, 能够诱导能带的变化, 从而导致不同晶面对CO₂还原性能的显著差异.基于这些紧密关联的实验证据，该团队着重强化了晶面活性位点的概念，并且通过控制晶面的生长差异，输入CO₂和H₂O，在光照条件下得到甲醇和O₂，达到了72%的量子产率，10%的太阳能到燃料能的转化率。此项工作也取得了美国发明专利 (US20190202762A1)。这种基于晶面活性位点材料设计的方法为工业生产中进行的CO₂减排, 减少汽车尾气, 提供清洁液态燃料, 提供了解决途径,具有广泛的应用前景。

图2. Cu₂O单颗粒催化剂原位多模式关联成像表征

图3. 不同工作环境下Cu₂O单颗粒原位多模式纳米谱学表征

图4. 密度泛函计算束缚能

图5. 多颗粒平均状态表征和电荷转移

作者介绍

吴一民,牛津大学博士，加州伯克利大学博士后，先后供职于美国能源部阿贡国家实验室和伊利诺伊大学，现任加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)助理教授,博士生导师, 任职于滑铁卢大学机械工程系和滑铁卢纳米研究所(Waterloo Institutefor Nanotechnology).主要致力于用纳米科技解决能源,环境，先进制造,人工智能等问题,主要方向涉及催化与电池材料, 人工智能类人脑运算，可穿戴柔性电子设备。长期招收博士，博士后，访问学生老师，请材料,化学工程, 电子工程, 生物医学工程, 化学, 物理, 机械工程, 人工智能等专业背景的学生和老师,发送简历到[e-mail]

主页：

https://uwaterloo.ca/mechanical-mechatronics-engineering/profile/y785wu

TijanaRajh博士，贝尔格莱德大学博士，美国阿贡国家实验室资深杰出研究员（Argonne DistinguishFellow），AAAS Fellow, 主要从事光催化方面的研究。

刘玉资博士, 中国科院物理研究所博士, 美国阿贡国家实验室Scientist,主要从事电镜表征方面的工作。

滑铁卢大学(University ofWaterloo),是世界著名的公立研究型大学, 麦克林杂志评选的加拿大综合性大学排名第3位, 加拿大最具有创新力的学校, 是北美地区最优大学之一，QS世界大学排名，其工程学科居世界前50, QS's 2019毕业生就业排行榜, 滑铁卢大学位列世界第25名. 其位于“加拿大硅谷”地区，毗邻国际大都市多伦多, 及著名的尼亚加拉大瀑布, 交通方便, 生活便利.

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