利用太陽能將CO2轉(zhuǎn)化為燃料是應(yīng)對能源危機和氣候變化的一種有前途和可行的方法。近年來，其中，光催化還原CO2和H2O產(chǎn)生燃料，因其能夠直接利用太陽光能源而受到人們廣泛關(guān)注。
然而，由于太陽能利用不足(大多數(shù)常用的光催化劑只能利用太陽光譜中的紫外-可見(UV-vis)波段，而紅外波段(約占太陽光譜的50%)未得到充分利用)，光催化CO2還原的效率仍然遠遠落后于工業(yè)應(yīng)用的要求。近日，西安交通大學(xué)郭烈錦和劉亞等通過三步法合成了對太陽光中近紅外光有響應(yīng)的具有納米支化結(jié)構(gòu)的Co3O4/CuOx光催化劑，并對CO2和H2O蒸氣進行了直接太陽光催化還原制備CH4燃料。具體而言，在自然光照下，光催化劑表面溫度可達200°C以上而無需任何外部熱源。在2天的室外試驗中，CH4和CO的總產(chǎn)率達到12.5 μmol h?1，STF效率達到0.0052%，以及CH4的選擇性最高可達90%。原位XPS和能帶取向分析分析表明，隨著溫度的升高，表面Cu(II)物種逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃u(I)，原位生成的Co3O4/Cu2O呈現(xiàn)Z型電荷轉(zhuǎn)移。此外，光輔助KPFM、DRIFTS、準原位拉曼和密度泛函理論計算表明，Co3O4/Cu2O的近紅外吸收直接提高了光生電子的功率，并且原位生成的Cu2O促進了*CHO中間體的生成并促進了CH4的進一步生成反應(yīng)。因此，熱輔助光催化CO2RR反應(yīng)能夠在25~360°C的不同溫度下進行，不需要任何犧牲劑；當(dāng)反應(yīng)溫度升高到240°C時，CH4產(chǎn)率最高可達6.5 μmol h?1，選擇性達99%。此外，熱輔助下的光燃效率可達1.45%，同時確定了CO2轉(zhuǎn)化為CH4的CO2和H2O最佳投料比為1/4。總之，這項工作借助銅氧化物和鈷氧化物同時具有的光-熱轉(zhuǎn)化和光催化能力，開發(fā)了一種對太陽光中近紅外光有響應(yīng)的光催化劑，證明了直接利用太陽能通過全光譜太陽能驅(qū)動催化反應(yīng)將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為燃料的可行性。Near-Infrared-Responsive Photocatalytic CO2 Conversion via In Situ Generated Co3O4/Cu2O. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c03118
