王凤龙课题组ACS Nano：Ru NP结合MnCo2O4纳米片，提高光热催化CO2甲烷化效率

近年来，在传统热催化体系中引入光辐射可以在温和条件下显著提高CO₂转化为高附加值产物的效率，有助于解决环境污染和化石能源消耗问题。因此，开发高效的光热CO₂转化催化剂势在必行。

其中，负载型等离子体金属纳米粒子基催化剂显示出良好的应用前景：在光照射下，金属纳米颗粒上的局部表面等离子共振(LSPR)诱导的热电子直接注入吸附分子的反键轨道，促进吸附物种的活化并降低关键反应步骤中的能垒。此外，由LSPR效应引起的金属/载体界面周围电磁场的衰减将有效地提高催化剂的局部温度，从而促进反应动力学。但是，惰性载体具有相对较宽的带隙，使得光利用有限，导致CO₂转化效率较低。因此，迫切需要制备高性能的光热催化剂，以满足实际工业应用的需要。

近日，山东大学王凤龙课题组开发了一种高效的催化剂，其中Ru纳米粒子负载在MnCo₂O₄上，用于温和条件下的光热CO₂甲烷化。实验表征和密度泛函理论(DFT)计算表明，Ru/MnCo₂O₄复合材料在光照下的优异催化活性是由于MnCo₂O₄载体的双重作用：一方面，光热MnCo₂O₄纳米片可以显著提高金属/载体界面的局部温度，加速反应动力学；另一方面，Ru/MnCo₂O₄界面肖特基异质结的构建促进了光生电子从MnCo₂O₄向Ru纳米颗粒的快速迁移，提高了电荷分离效率，从而促进了反应物分子的吸附/活化。

同时，研究人员还提出了光热催化CO₂甲烷化过程的合理反应路径：首先，CO₂分子通过与羟基物种相互作用在催化剂表面形成HCO₃*，同时，H₂分子在Ru纳米粒子上解离为原子H物种；生成的H*通过外渗迁移到载体上，与HCO₃*反应生成HCOO*，随后分解为CO*和H₂O；在随后的步骤中，由于Ru/MnCo₂O₄界面与CO*中间产物之间的强烈相互作用，异相界面作为活性中心，促进CO*加氢进一步生成CH₄而非解吸产物，导致气相CO的生成。

此外，光照射促进CO₂活化，中间体和CO*转化，引起CH₄的加速产生。因此，在230 °C和可见光照射下，Ru/MnCo₂O₄-2催化剂的CH₄产率高达66.3 mmol g_cat^-1 h^-1(5.1 mol g_Ru^-1 h^-1)，比在黑暗中增加了1.2倍，优于大多数报道的等离子体金属基催化剂。还有就是，在相同的能量输入条件下，与催化剂相，Ru/MnCo₂O₄-2催化剂表现出比Ru/TiO₂和Ru/Al₂O₃更好的光热CO₂甲烷化活性。

Reinforcing the efficiency of photothermal catalytic CO₂ methanation through integration of Ru nanoparticles with photothermal MnCo₂O₄ nanosheets. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c07630

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/12/10/b6215f6516/

​王凤龙课题组ACS Nano：Ru NP结合MnCo2O4纳米片，提高光热催化CO2甲烷化效率

相关推荐

王凤龙课题组ACS Nano：Ru NP结合MnCo2O4纳米片，提高光热催化CO2甲烷化效率