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北京農學院高娃和北大馬丁團隊在光熱催化CO?轉化利用研究方面取得新進展

來源：北京農學院科學技術處       2023-09-22
導讀：近日，北京農學院生物與資源環境學院高娃副教授和北京大學馬丁教授團隊的最新研究成果“Advances in photothermal conversion of carbon dioxide to solar fuels”被能源化學領域國際領軍期刊《能源化學》（Journal of Energy Chemistry；影響因子13.5，中科院一區）接收。本論文從光熱催化反應技術的優勢、反應機理、催化劑種類和最新研究成果等方面綜述了光熱催化CO2轉化利用的研究進展，并對目前面臨的挑戰和未來的發展方向進行了深入思考和前瞻性展望。
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過度碳排放導致大氣中溫室氣體CO2濃度逐年升高。根據美國國家海洋和大氣管理局的報告，截至今年4月份，大氣中CO2濃度已達到423.3 ppm。溫室效應引發的全球氣候問題給人類社會發展帶來了嚴峻考驗。在“碳達峰，碳中和”的明確目標下，實現我國“3060”雙碳目標必須采取強有力的措施來減少溫室氣體CO2排放。其中，利用太陽能將CO2光催化轉化為附加值高的化學燃料是緩解全球變暖和解決能源危機的一條有效途徑（圖1）。從熱力學角度來分析，光熱催化過程可實現將CO2轉化為甲醇、乙醇、烯烴和烷烴等高附加值化學品。與傳統的光催化CO2體系相比，光熱催化基于光化學和熱化學反應途徑之間的協同作用，能夠顯著提高催化活性，并調控催化反應路徑和選擇性。然而，盡管已取得了一定進展，該體系仍面臨轉化率低、產物選擇性差以及光能利用率低等挑戰。因此，發展吸收范圍寬、光熱轉換優異且催化活性高的光熱催化劑依然是這一領域亟需攻克的難題。同時，對于理解和提升光熱催化性能而言，深入認識光熱效應以及光熱協同作用也至關重要。
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圖1 光熱催化轉化CO2過程示意圖
針對上述問題，該綜述對光熱CO2轉化領域最新的研究進展進行了更新和討論。首先，簡要介紹了光熱CO2轉化的基本原理，包括光催化和熱催化的原理以及四種不同類型的光熱催化轉化過程（圖2）；詳細描述了用于CO2轉化的典型光熱催化劑的結構設計，包括等離子體金屬、半導體材料和異質結構納米催化劑等。其中，重點介紹了等離子體納米粒子形貌和尺寸的調變、半導體材料中缺陷位結構的調控以及異質結構催化劑的結構設計等關鍵因素對光熱催化轉化CO2性能的影響規律；進一步強調并討論了光熱催化轉化CO2路徑在催化性能方面的優勢，包括增強CO2分子的活化能力、調控對不同類型太陽能燃料的選擇性以及避免了催化劑在光熱過程中的燒結和積碳問題；最后，介紹了這一前沿領域未來的研究趨勢和挑戰，包括探索光熱催化技術新路徑，開發高效、可持續且經濟效益高的多功能光熱催化劑。此外，還介紹了通過先進的原位表征技術實時監測反應過程中產生的瞬態物質以及催化劑微觀結構的變化等信息對于深入了解光熱催化轉化CO2反應機制的重要性。我們希望該綜述能夠在全面理解光熱協同作用的基礎上為合理設計將CO2轉化為高附加值化學品的光熱催化劑提供更多的創新思路。
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圖2 光熱催化劑的設計思路及作用原理
北京農學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基金項目的資助。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495623002528


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