李瑞祥教授&徐嘉麒助理研究员等Angew：金属性光催化剂实现高效的红外光催化二氧化碳还原- 大数跨境

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李瑞祥教授&徐嘉麒助理研究员等Angew：金属性光催化剂实现高效的红外光催化二氧化碳还原

科学材料站

2021-01-27

导读：该工作构建了金属性镍掺杂二硫化钴超薄片（Ni-CoS2 nanosheets）作为新型光催化剂，实现了红外光驱动的CO2还原。该

文章信息

金属性镍掺杂的二硫化钴超薄片实现高效的红外光催化二氧化碳还原

第一作者：徐嘉麒

通讯作者：李瑞祥*，徐嘉麒*

通讯单位：四川大学

合作单位：中国科学技术大学、国家同步辐射实验室、得克萨斯大学奥斯汀分校

研究背景

化石燃料的使用产生了大量的二氧化碳(CO2)，仅2017年因为化石燃料的使用而产生的CO2就达到了330亿吨，约为自然界自身处理能力的两倍。过量排放的CO2造成了全球变暖，海平面升高等一系列环境问题。有效的控制和降低大气中的CO2浓度是关乎国家发展的重大需求。模拟绿色植物，利用太阳光将二氧化碳和水转化为碳基燃料，在减少大气中CO2含量的同时，制备高附加值的碳基燃料或其他化学品，具有绿色、可持续等优点，因而极具研究前景。

红外光约占太阳光的50%，但因为红外光的能量较低，传统半导体光催化剂难以利用红外光实现CO2还原，因此过去的光催化CO2还原研究主要集中在紫外光和可见光区。

为了更充分的利用光能，实现红外光驱动的CO2还原，亟需发展新型光催化剂。中国科学技术大学的谢毅教授和孙永福教授制备了金属性硫化铜(CuS)超薄片（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 423−430.），首次将金属性光催化剂应用于红外光催化CO2还原领域，这为红外光催化CO2还原打开了一扇新的大门。

文章简介

近日，来自四川大学的李瑞祥教授和徐嘉麒助理研究员等人，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Efficient Infrared-Light-Driven CO2 Reduction Over Ultrathin Metallic Ni-doped CoS2 Nanosheets”的通讯文章。

该工作构建了金属性镍掺杂二硫化钴超薄片（Ni-CoS2 nanosheets）作为新型光催化剂，实现了红外光驱动的CO2还原。该过程中，甲烷的产生速率达到了101.8 μmol g-1 h-1。在不添加牺牲剂的条件下，这是目前单一催化剂在红外光催化CO2还原中达到的最高记录。

图1. Ni-CoS2超薄片的形貌。

本文要点

要点一：红外光驱动的二氧化碳还原

Ni-CoS2超薄片的金属性和超薄特性使得它具有很高的红外光吸收能力；同时，金属性镍掺杂二硫化钴超薄片部分填充的导带可以作为中间能带，使得它即使只在红外光的照射下也能同时实现CO2的还原和H2O的氧化。

通过设计对照实验，该团队还发现红外光照产生的热能可以协同促进CO2还原过程。通过充分利用红外光照自身产生的热能，能进一步提升CO2还原反应的活性，实现高效的红外光催化CO2还原。

图2. Ni-CoS2超薄片的金属性表征、红外光吸收测试以及能带结构示意图。

图3. Ni-CoS2超薄片的红外光催化CO2还原性能。

要点二：原子级元素掺杂调控二氧化碳还原反应的中间体

理论计算、原位红外、甲烷变温脱附等测试表明，掺杂的镍原子不仅能降低反应决速步*COOH中间体的形成能；同时，Ni原子的引入还能降低*CHO的形成能和CH4的脱附能，因而会更有利用于形成甲烷这种还原产物，表明原子水平的元素掺杂是调控反应中间产物的有效途径，为实现高活性、高选择性的红外光催化CO2还原提供了可能。

该工作为新型红外光催化CO2还原材料的设计提供了一种新思路。

图4. Ni掺杂对反应中间体的调控。

文章链接

Efficient Infrared-Light-Driven CO2 Reduction Over Ultrathin Metallic Ni-doped CoS2 Nanosheets

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202017041

通讯作者介绍

李瑞祥教授，博导。

1984年和1987年在兰州大学获学士和硕士学位，1999年在香港城市大学获得博士学位，于1987年加入四川大学化学系任教至今。主编《无机化学》（化学工业出版社2013第一版，2019第二版），荣获2014年度“四川大学唐立新教学名师奖”、“本科教学优秀奖二等奖”。研究方向包括：1. 新型多齿氮、多齿膦、多齿卡宾氮膦配体及其过渡金属配合物的设计、合成与催化；2. 纳米金属催化剂的设计与制备；3. 均相、非均相催化二氧化碳转化等催化领域。课题组合成的水溶性膦配体及其铑配合物，已用于烯烃氢甲酰化工业生产，产生了显著的经济和社会效益。在国内外重要学术期刊发表论文120余篇，获省部级科技进步奖2项，主持和参加各级科研项目20余项。

徐嘉麒，助理研究员。

2014年在天津大学获学士学位，2019年在中国科学技术大学获博士学位，于2019年加入四川大学从事博士后研究工作，现为化学学院助理研究员。研究方向包括：1. 超薄二维材料的设计、精准制备以及表征；2. 新能源储存和转化方向，如电催化、光催化二氧化碳还原和水分解等方向。目前总共在Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等SCI期刊上发表学术论文12篇，被引超过1000次，申请发明专利4项，主持科研项目3项。入选2019年博士后创新人才支持计划，曾获中国科学院院长优秀奖和苏州育才奖等奖励。