陈华/李瑞祥教授团队Advanced Materials:高选择性红外光催化CO2还原制CH4

谨以该工作祝本院陈华教授、李瑞祥教授和袁茂林副教授60岁生日快乐！

利用太阳能将CO₂和H₂O转化为燃料是应对气候和能源问题的有效途径之一。虽然已有许多光催化剂为此而被开发，但是大多数光催化剂主要利用的是紫外光和可见光，而能量较低的红外光（约占太阳光谱的50%）则不能被利用。在CO₂的光还原产物当中，CH₄是一种很重要的化学品，但是光还原CO₂到CH₄是一个8电子还原过程，在动力学上不利的。而将CO₂还原为CO只需要2个电子，因此在CO₂光还原过程中更容易得到CO，难以高选择性得到CH₄。此外，传统半导体光催化剂的CO₂亲和力较弱，不利于CO₂的吸附与活化。因此，研究的关键在于开发一种新型光催化剂，该催化剂不仅需要具备高效利用红外光的能力，还应具有优异的CO₂亲和力，以及拥有高电子密度的活性位点，从而实现利用红外光催化，高选择性还原CO₂制CH₄。

图1. UiO-66/Co₉S₈复合光催化剂红外光还原CO₂制备CH₄示意图

为此，我院陈华/李瑞祥教授团队通过结合多孔CO₂吸附材料和金属性光催化剂的优点，设计并制备了一种UiO-66/Co₉S₈复合光催化剂。该催化剂对CO₂光还原为CH₄具有宽光谱响应，且选择性接近100%，在红外光照射下，CH₄的产生速率高达25.7 μmol g^-1 h^-1，全光谱照射下，CH₄的产率可进一步提高至240.9 μmol g^-1 h^-1。如此显著的红外光催化活性，首先得益于金属性Co₉S₈优异的红外光吸收能力，同时超快瞬态吸收光谱显示Co₉S₈促使了复合光催化剂可以产生长寿命（> 2 ns）的载流子，从而增强了UiO-66/Co₉S₈的光催化活性。此外，DFT理论计算表明Co₉S₈中高电子密度的金属性Co位点可以降低反应能垒，促进*CO中间体进一步加氢，从而高选择性地得到CH₄。另外，得益于UiO-66的多孔性，复合光催化剂对CO₂的亲和力也大大增强，有限元模拟结果显示这一增强的特性可以提高Co₉S₈的局部CO₂浓度；同时通过负载的方式，也将Co₉S₈活性组分进行了分散，增加了活性位点暴露的几率，也增强了其催化活性。该工作为设计新型红外光催化剂提供了新的思路。

该研究成果以“CO₂ Enrichment Boosts Highly Selective Infrared-Light-Driven CO₂ Conversion to CH₄ By UiO-66/Co₉S₈ Photocatalyst”为题发表在《Advanced Materials》上。365英国上市公司学院为论文署名的第一单位，四川大学徐嘉麒副研究员（专职科研），韩国蔚山科学技术院Jae Sung Lee院士、车伟博士，中国科学技术大学的周蒙教授为该论文的通讯作者，化学学院硕士研究生杨思恒、韩国蔚山科学技术院Woo Jin Byun博士，中国科学技术大学的研究生赵方明为该论文的共同第一作者。特别感谢国家自然科学基金委、四川省自然科学基金、国家留学基金委员会、国家市场监管总局科技项目和四川大学的经费支持。同时，感谢365英国上市公司学院化学专业实验室综合训练平台的杨凤老师、齐悦老师、邓冬艳老师、李静老师，以及四川大学分析测试中心的吴莉老师和谢晓滨老师的测试支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202312616