化石燃料的日益衰竭,全球气候变暖使得低碳经济变得日益迫切,人工光和作用CO2还原的方法在提供了清洁可再生能源的同时，也可对工业化生产和汽车尾气中过剩的CO2进行减排。光催化较电催化，免去了二次能量转化损失的问题,是一步直接将太阳能转化为清洁燃料的更优方案，在工业上拥有更加广阔的应用前景。
为了在这方面取得进展,很多课题组开展了这方面的研究。近日，由加拿大滑铁卢大学吴一民教授和美国阿贡国家实验室TijanaRajh博士/刘玉资博士研究团队合作的最新研究工作为进一步解决光催化CO2还原提供了更全面和深入的理解。该工作于年11月4日在线发布并将作为封面文章在最新一期NatureEnergy上正式发表。
该工作首次在真实催化条件下(1个大气压，光照)，通过整合原位多模式环境透射电子显微镜,原位同步辐射X射线荧光成像，原位电子能量损失谱，原位X射线吸收谱，同步辐射高分辨X射线衍射，以及电子自旋共振谱的表征，并结合密度泛函理论计算，发现纳米颗粒光催化材料Cu2O在其（）晶面具有活性位点，而其（）晶面不具有活性位点。（）晶面在CO2和H2O共吸附时发生了化学重构，活性位点的氧化状态从一价铜转变为二价铜，同时也有Cu纳米团簇形成。这些Cu纳米团簇和（）晶面本身的共同作用得到了高选择性，高效率的CO2还原制甲醇的催化剂。
图1.Cu2O光催化剂的结构分析和性能表征
当CO2转化完成后，活性位点又在光照下转变回原本的一价铜。CO2吸附在Cu2O表面时，能够造成Cu2O晶体结构的膨胀，而H2O吸附能造成Cu2O晶体结构的收缩。这种由于化学吸附造成的静电场变化,能够诱导能带的变化,从而导致不同晶面对CO2还原性能的显著差异.基于这些紧密关联的实验证据，该团队着重强化了晶面活性位点的概念，并且通过控制晶面的生长差异，输入CO2和H2O，在光照条件下得到甲醇和O2，达到了72%的量子产率，10%的太阳能到燃料能的转化率。此项工作也取得了美国发明专利(US0202762A1)。这种基于晶面活性位点材料设计的方法为工业生产中进行的CO2减排,减少汽车尾气,提供清洁液态燃料,提供了解决途径,具有广泛的应用前景。
图2.Cu2O单颗粒催化剂原位多模式关联成像表征
图3.不同工作环境下Cu2O单颗粒原位多模式纳米谱学表征
图4.密度泛函计算束缚能
图5.多颗粒平均状态表征和电荷转移
作者介绍
吴一民,牛津大学博士，加州伯克利大学博士后，先后供职于美国能源部阿贡国家实验室和伊利诺伊大学，现任加拿大滑铁卢大学(UniversityofWaterloo)助理教授,博士生导师,任职于滑铁卢大学机械工程系和滑铁卢纳米研究所(WaterlooInstituteforNanotechnology).主要致力于用纳米科技解决能源,环境，先进制造,人工智能等问题,主要方向涉及催化与电池材料,人工智能类人脑运算，可穿戴柔性电子设备。长期招收博士，博士后，访问学生老师，请材料,化学工程,电子工程,生物医学工程,化学,物理,机械工程,人工智能等专业背景的学生和老师,发送简历到yiminwumse
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