河北大學(xué)葉金花教授和李亞光副研究員團(tuán)隊(duì)2月在《ACS Nano》期刊發(fā)表關(guān)于光熱催化CO?還原的前瞻性評述論文。文章描述了幾種重要的納米材料設(shè)計(jì)策略，包含增強(qiáng)光吸收，減少熱能損耗等，以提高太陽能的吸收和利用率，并闡述了光熱催化CO?加氫的最新進(jìn)展，同時(shí)對光熱催化CO?應(yīng)用所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)提出重要看法。
與光催化或者熱催化相比，光熱催化CO?加氫具有其獨(dú)特的優(yōu)勢：
（1）高的太陽光吸收率優(yōu)勢。光熱催化劑是窄帶隙或零帶隙材料，可以吸收紫外光、可見光和紅外光，達(dá)到近100%的太陽光吸收，提高了光的利用率；
（2）超高的CO?轉(zhuǎn)化率優(yōu)勢。目前最先進(jìn)的光催化CO?轉(zhuǎn)化速率僅限于 1mmol·g-1·h-1[1]，而光熱催化CO?轉(zhuǎn)化速率超過100 mmol·g-1·h-1[2]。
文中提到光熱催化包括兩種模式：熱輔助光催化模式和光輔助熱催化模式。
● 在熱輔助光催化模式下，熱能來自于光的部分轉(zhuǎn)化或外部輔助加熱，使得光催化過程具有較低的活化能壘和增強(qiáng)的載流子/質(zhì)量遷移率。
● 在光輔助熱催化中，反應(yīng)主要由熱能驅(qū)動，熱能來源于太陽光的光熱轉(zhuǎn)換。
為實(shí)現(xiàn)高效的光熱催化CO?加氫轉(zhuǎn)化，需要強(qiáng)的寬帶太陽能吸收、有效的光熱轉(zhuǎn)換、蓄熱能力和高催化活性之間協(xié)同作用。光熱催化CO?加氫過程中納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)策略對于構(gòu)建光熱裝置、設(shè)計(jì)制備催化劑及獲得最佳光熱CO?加氫性能至關(guān)重要。
文章重點(diǎn)綜述了三種熱輔助光催化過程中納米催化材料的設(shè)計(jì)策略：
1、增強(qiáng)太陽光收集的納米材料表面工程；
2、降低熱傳導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)隔熱材料；
3、阻熱的納米層。
本文值得一提的是提出了對未來光熱催化體系構(gòu)建的觀點(diǎn)及展望：
1、探索提高光熱轉(zhuǎn)換效率的策略：使用超薄膜材料可提高材料的太陽照射溫度，同時(shí)需要大面積薄膜以提高太陽能利用率。由此可見，設(shè)計(jì)大面積超薄催化材料以及與之匹配的光反應(yīng)器是提升光熱催化性能的重要手段；
2、探索熱電子產(chǎn)生的物理原理和弛豫機(jī)制，以提高CO?活化效率；
3、開發(fā)儲能裝置，實(shí)現(xiàn)光照條件變化下穩(wěn)定持久的自驅(qū)動光熱催化CO?還原；
4、開發(fā)微正壓或常壓下光熱催化CO?加氫生成高碳產(chǎn)物的體系；
5、探索低成本氫能制備策略；
6、探索高效穩(wěn)定的逆水氣轉(zhuǎn)換（RWGS）催化劑，以擴(kuò)大RWGS反應(yīng)的大規(guī)模應(yīng)用。
最后作者對光熱催化裝置的設(shè)計(jì)也提出了自己的構(gòu)想。作者認(rèn)為壓力、光照以及溫度是光熱催化裝置設(shè)計(jì)需要考慮的核心要素。
● 壓力
由于目前CO?加氫還原的產(chǎn)物多集中于低碳產(chǎn)物，想要獲得高碳產(chǎn)物需要對反應(yīng)體系進(jìn)行加壓。為提高CO?轉(zhuǎn)化效率的提高和高附加值高碳產(chǎn)物，一款可以持續(xù)提供穩(wěn)定高壓反應(yīng)氣的光熱催化反應(yīng)器至關(guān)重要。
PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價(jià)裝置可提供高溫高壓反應(yīng)條件，目前有五個版本可供選擇：
● 光照
由于光照強(qiáng)度、光照面積和催化劑負(fù)載量對反應(yīng)結(jié)果有較大影響，因此使用一個標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)器對這些反應(yīng)條件變量進(jìn)行標(biāo)記可提高不同文獻(xiàn)之間數(shù)據(jù)的可比性，從而更好地篩選出具潛力的光熱催化材料。
PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價(jià)裝置采用石英導(dǎo)光柱和石英反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，在保證光輸入效率的同時(shí)，有效地提高催化劑的受光面積，并通過仿真模擬計(jì)算固定石英導(dǎo)光柱與催化劑的相對位置，以獲得最大的光照效率 。
創(chuàng)新的環(huán)照式反應(yīng)器還嚴(yán)格將催化劑床層的厚度限制在3 mm，這樣既能保證催化劑的有效光照，增大催化劑的受光面積，提高催化劑對光的利用率，又可以根據(jù)裝填高度計(jì)算出催化劑的受光面積以及裝填量，保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。
● 溫度
在光可以被完全吸收的前提下，減少熱能損失是光熱催化中提高光利用效率的關(guān)鍵途徑。
PLR-RP系列光熱催化反應(yīng)評價(jià)裝置的預(yù)熱-伴熱模塊能夠有效減小催化劑與反應(yīng)體系之間的溫度梯度，以此降低光熱催化反應(yīng)中的熱能損失，同時(shí)具備雙熱電偶測溫裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)器外部溫度和反應(yīng)催化劑表面溫度，掌握反應(yīng)過程中的溫度變化動態(tài)。
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文章信息
Cuncai Lv, Yaguang Li*, Jinhua Ye*, et al. Nanostructured Materials for Photothermal Carbon Dioxide Hydrogenation: Regulating Solar Utilization and Catalytic Performance [J]. ACS Nano, 2023, 17(3): 1725-1738.
文章鏈接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c09025
參考文獻(xiàn)
[1] Meng X, Zuo G, Zong P, et al. A rapidly room-temperature-synthesized Cd/ZnS:Cu nanocrystal photocatalyst for highly efficient solar-light-powered CO? reduction [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2018, 237: 68-73.
[2] Chen Y, Zhang Y, Fan G, et al. Cooperative catalysis coupling photo-/photothermal effect to drive Sabatier reaction with unprecedented conversion and selectivity [J]. Joule, 2021, 5(12): 3235-3251.
