與單一的光驅(qū)動或傳統(tǒng)的熱催化CO2還原反應(yīng)相比，熱能和光能耦合的光熱催化過程克服了單一的太陽能驅(qū)動催化過程中活性低和熱催化反應(yīng)條件苛刻的缺點(diǎn)，從而為在相對溫和的條件下實(shí)現(xiàn)CO2高效轉(zhuǎn)化提供了新的途徑。然而，大多數(shù)光熱催化劑是由金屬納米顆粒修飾的基于金屬氧化物的半導(dǎo)體制成的，其具有固有的局限性，包括狹窄的光吸收光譜和低的電荷分離效率。
基于此，山東大學(xué)王鳳龍和中科院山西煤炭化學(xué)研究所溫曉東等以Ir/CoAl LDH復(fù)合材料為前驅(qū)體，制備出顯著增強(qiáng)光熱催化CO2轉(zhuǎn)化為甲烷的Ir?CoO/Al2O3催化劑。其中，CoO載體發(fā)揮雙重關(guān)鍵作用：1.形成親密的Ir?CoO界面，加速光誘導(dǎo)電荷載流子的產(chǎn)生和運(yùn)輸；2.作為“納米加熱器”，迅速提高活性中心周圍的局部溫度，這有利于CO2分子的吸附和活化。此外，具有高熱穩(wěn)定性的Al2O3納米片能有效地抑制微小的Ir?CoO活性中心在反應(yīng)過程中的聚集，從而保證復(fù)合催化劑的長壽命。因此，優(yōu)化的催化劑(0.16% Ir?CoO/Al2O3)具有優(yōu)異的CO2RR性能：CH4產(chǎn)率達(dá)到128.9 mmol gcat?1 h?1，并具有92%的選擇性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。相比之下，沒有CoO的Ir/Al2O3在相同條件下表現(xiàn)出更低的催化活性，突出了CoO納米顆粒的重要性。為了揭示Ir與CoO相互作用的本質(zhì)，研究人員將Ir納米粒子浸漬在已制備的CoO/Al2O3表面，發(fā)現(xiàn)所制備的Ir/CoO/Al2O3催化劑的CH4產(chǎn)率為32 mmol gcat?1 h?1，遠(yuǎn)低于Ir?CoO/Al2O3催化劑。此外，原位DRIFTS測試表明，光照射不會改變反應(yīng)途徑，但有效地提高了反應(yīng)速率控制步驟。綜上所述，在光照條件下，Ir與CoO的親密相互作用產(chǎn)生了有效的電荷轉(zhuǎn)移、增強(qiáng)了光熱效應(yīng)，以及促進(jìn)了反應(yīng)物分子和中間物種的吸附和活化，進(jìn)而提高了CH4的產(chǎn)率。該項(xiàng)工作提出了一種光熱半導(dǎo)體作為電子供體和作為局域溫度增強(qiáng)的納米加熱器的雙重功能機(jī)制，為設(shè)計(jì)有效的光熱催化劑提供了指導(dǎo)。Ir-CoO Active Centers Supported on Porous Al2O3 Nanosheets as Efficient and Durable Photo-Thermal Catalysts for CO2 Conversion. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202300122
