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北京農(nóng)學(xué)院高娃和北大馬丁團(tuán)隊在光熱催化CO?轉(zhuǎn)化利用研究方面取得新進(jìn)展
來源：北京農(nóng)學(xué)院科學(xué)技術(shù)處 2023-09-22
導(dǎo)讀：近日，北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院高娃副教授和北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊的最新研究成果“Advances in photothermal conversion of carbon dioxide to solar fuels”被能源化學(xué)領(lǐng)域國際領(lǐng)軍期刊《能源化學(xué)》（Journal of Energy Chemistry；影響因子13.5，中科院一區(qū)）接收。本論文從光熱催化反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢、反應(yīng)機(jī)理、催化劑種類和最新研究成果等方面綜述了光熱催化CO2轉(zhuǎn)化利用的研究進(jìn)展，并對目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向進(jìn)行了深入思考和前瞻性展望。
過度碳排放導(dǎo)致大氣中溫室氣體CO2濃度逐年升高。根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局的報告，截至今年4月份，大氣中CO2濃度已達(dá)到423.3 ppm。溫室效應(yīng)引發(fā)的全球氣候問題給人類社會發(fā)展帶來了嚴(yán)峻考驗。在“碳達(dá)峰，碳中和”的明確目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)我國“3060”雙碳目標(biāo)必須采取強(qiáng)有力的措施來減少溫室氣體CO2排放。其中，利用太陽能將CO2光催化轉(zhuǎn)化為附加值高的化學(xué)燃料是緩解全球變暖和解決能源危機(jī)的一條有效途徑（圖1）。從熱力學(xué)角度來分析，光熱催化過程可實(shí)現(xiàn)將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇、烯烴和烷烴等高附加值化學(xué)品。與傳統(tǒng)的光催化CO2體系相比，光熱催化基于光化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)途徑之間的協(xié)同作用，能夠顯著提高催化活性，并調(diào)控催化反應(yīng)路徑和選擇性。然而，盡管已取得了一定進(jìn)展，該體系仍面臨轉(zhuǎn)化率低、產(chǎn)物選擇性差以及光能利用率低等挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展吸收范圍寬、光熱轉(zhuǎn)換優(yōu)異且催化活性高的光熱催化劑依然是這一領(lǐng)域亟需攻克的難題。同時，對于理解和提升光熱催化性能而言，深入認(rèn)識光熱效應(yīng)以及光熱協(xié)同作用也至關(guān)重要。
針對上述問題，該綜述對光熱CO2轉(zhuǎn)化領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展進(jìn)行了更新和討論。首先，簡要介紹了光熱CO2轉(zhuǎn)化的基本原理，包括光催化和熱催化的原理以及四種不同類型的光熱催化轉(zhuǎn)化過程（圖2）；詳細(xì)描述了用于CO2轉(zhuǎn)化的典型光熱催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括等離子體金屬、半導(dǎo)體材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米催化劑等。其中，重點(diǎn)介紹了等離子體納米粒子形貌和尺寸的調(diào)變、半導(dǎo)體材料中缺陷位結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵因素對光熱催化轉(zhuǎn)化CO2性能的影響規(guī)律；進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)并討論了光熱催化轉(zhuǎn)化CO2路徑在催化性能方面的優(yōu)勢，包括增強(qiáng)CO2分子的活化能力、調(diào)控對不同類型太陽能燃料的選擇性以及避免了催化劑在光熱過程中的燒結(jié)和積碳問題；最后，介紹了這一前沿領(lǐng)域未來的研究趨勢和挑戰(zhàn)，包括探索光熱催化技術(shù)新路徑，開發(fā)高效、可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)效益高的多功能光熱催化劑。此外，還介紹了通過先進(jìn)的原位表征技術(shù)實(shí)時監(jiān)測反應(yīng)過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)物質(zhì)以及催化劑微觀結(jié)構(gòu)的變化等信息對于深入了解光熱催化轉(zhuǎn)化CO2反應(yīng)機(jī)制的重要性。我們希望該綜述能夠在全面理解光熱協(xié)同作用的基礎(chǔ)上為合理設(shè)計將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品的光熱催化劑提供更多的創(chuàng)新思路。北京農(nóng)學(xué)院為本論文第一完成單位，高娃副教授為本論文的第一作者和通訊作者，北京大學(xué)的馬丁教授和University of New Haven的肖德泉教授為本論文的共同通訊作者。該工作得到了北京市自然科學(xué)基金項目的資助。https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495623002528
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