DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63835-4近日，《催化學(xué)報(bào)》在線發(fā)表了日本國(guó)立材料研究機(jī)構(gòu)葉金花教授團(tuán)隊(duì)在光熱協(xié)同催化領(lǐng)域的最新研究成果。該工作以第VIII族金屬為活性中心，通過原位調(diào)控載體WO3的光學(xué)特性實(shí)現(xiàn)了高效光熱協(xié)同甲烷CO2重整。論文共同通訊作者為：Huimin Liu 和 Jinhua Ye。將廉價(jià)的碳源(CO2)轉(zhuǎn)化為化石燃料可緩解由于溫室氣體引起的氣候問題。甲烷二氧化碳重整(CRM)是二氧化碳轉(zhuǎn)化利用的有效途徑之一，然而，CRM通常需要較高的反應(yīng)溫度，這意味著大量的能源消耗。本文采用對(duì)光響應(yīng)的催化劑、引入光照能量來活化CO2，利用光熱協(xié)同催化CRM。要實(shí)現(xiàn)光熱協(xié)同催化CRM，關(guān)鍵是高效催化劑的研制。尋找高效的光熱協(xié)同催化劑具有重要意義。本文利用WO3光學(xué)性能的可調(diào)變性及其在高溫下可被H2、CO等還原性氣體還原的特性，制備了以WO3為載體的第VIII族金屬催化劑。在CRM反應(yīng)中，WO3會(huì)被產(chǎn)物中的H2和CO還原，產(chǎn)生氧空穴。具有氧缺陷的WO3-x具有更強(qiáng)的吸光性能及對(duì)CO2的活化能力，進(jìn)而提高了其負(fù)載的第VIII族金屬催化劑的光熱協(xié)同催化性能。圖1. Rh/WO3和Rh/TiO2在CRM反應(yīng)中的性能, (a) CO2轉(zhuǎn)化率, (b) CH4轉(zhuǎn)化率, (c) CO收率, (d) H2收率.
我們將WO3負(fù)載的第VIII族金屬催化劑在CRM反應(yīng)中進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖1以Rh/WO3為例），發(fā)現(xiàn)其在可見光輔助下的催化活性是在熱驅(qū)動(dòng)條件下的1.4-2.4倍。該活性增強(qiáng)率(1.4-2.4倍)與等離子體金催化劑的活性增強(qiáng)率(1.7倍)相當(dāng)。圖2. (a) 反應(yīng)前后Rh/WO3的W4f XPS 譜圖, 藍(lán)色線: W6+, 橙色線: W5+, (b) WO3和Rh/WO3的H2-TPR 譜圖, (c) XRD 譜圖, (d) 反應(yīng)后的Rh/WO3的紫外可見吸收光譜.我們通過XPS, H2-TPR, XRD及UV-Vis等手段對(duì)反應(yīng)后的催化劑進(jìn)行表征（以Rh/WO3為例）, 結(jié)果顯示, 在CRM反應(yīng)氣氛下, WO3部分原位還原為WO3-x, 并且活性增強(qiáng)率與WO3-x在可見光區(qū)域的吸光趨勢(shì)相吻合, 說明是WO3-x導(dǎo)致可見光輔助下活性增強(qiáng)。圖3. 反應(yīng)前后Rh/WO3的原位ESR譜圖.對(duì)反應(yīng)前后的Rh/WO3催化劑在CO2氣氛下進(jìn)行ESR分析，結(jié)果顯示CO2可以被WO3-x通過Mars–van Krevelen機(jī)理進(jìn)行活化, 進(jìn)而提高了催化活性.1. 可通過原位調(diào)控部分催化劑在反應(yīng)條件下的織構(gòu)性質(zhì)、光學(xué)性能等來提高催化劑的催化性能。2. 本文為提高光熱協(xié)同催化活性提供了一條有效途徑。葉金花，NIMS 首席研究員、北海道大學(xué)教授。近 20 多年來，葉金花教授課題組主要從事光功能材料的研究開發(fā)以及其在環(huán)境保護(hù)及新能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究，先后承擔(dān)了日本政府、產(chǎn)業(yè)界等十幾項(xiàng)重大研究項(xiàng)目。取得了多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的創(chuàng)新性成果。在 Nature、Nat. Mater.、Joule、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett. 和 Adv. Mater. 等國(guó)際著名雜志上發(fā)表 500 余篇高質(zhì)量論文，迄今已獲得同行約 32,000 次引用，H因子92。2016年被接納為英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，并被湯森路透評(píng)選為 2016 和 2018 年度全球高被引科學(xué)家，擔(dān)任英國(guó)皇家化學(xué)會(huì) Catalysis Science & Technology 雜志副主編。
