第一作者：马军，余静，陈光宇
通讯作者：熊宇杰教授，赵惠军教授，刘东教授，龚万兵副研究员
通讯单位：中国科学技术大学，中国科学技术大学苏州高等研究院，澳大利亚格里菲斯大学
论文DOI: 10.1002/adma.202302537
光热催化CO2加氢制备高值化学品和燃料是一种极具前景的缓解能源和环境问题的途径。其中，发展低成本且高效稳定的催化剂是光热CO2加氢体系的关键。在本工作中，作者报道了一种ZIF-67两步可控热解得到的N掺杂碳包覆Co纳米颗粒光热催化剂（Co@NC），用于高效光热CO2加氢。得益于Co纳米颗粒、包覆碳层和掺杂氮的协同作用，Co@NC催化剂在全谱光下实现了高达0.75 mol gcat-1h-1 的CO生成速率。进一步的实验和理论计算表明，简单的氮掺杂碳包覆能够极大地促进催化剂表面的反应物活化和CO脱附。这项工作为实现高效光热CO2加氢提供了一种简单有效的非贵金属催化剂设计途径。
为缓解日益增长的温室效应和化石能源消耗，CO2的捕获和转化利用受到了广泛关注。催化CO2加氢制备高附加值化学品和燃料被认为是一种极具吸引力的大规模转化利用CO2的途径。在多种CO2转化产物中，CO作为重要的碳一平台分子，通过逆水气变换反应较易获得。然而，目前的苛刻反应条件和贵金属催化剂仍然限制CO2加氢制CO技术在实际工业中的应用。因此，迫切需要开发高效的非贵金属催化剂，以实现CO2加氢制备CO。
近年来，利用广泛可得的太阳光来驱动光热催化CO2加氢反应，被认为是一种极具前景的可替代高耗能的热催化过程的途径。其中碳负载的等离激元金属催化剂因其具有宽光谱光吸收、高效的光热转换效率和高比表面积等优点，被认为是一种理想的光热CO2加氢催化剂。例如，Gascon课题组利用Ni-MOF-74衍生的Ni@C催化剂实现了高达488 mmol g-1 h-1的光热CO2加氢制CH4 生成速率。受此启发，作者合理假设MOFs衍生的碳包覆非贵金属催化剂能够有效提升光吸收并抑制金属颗粒团聚，从而有效提升光热催化CO2加氢的性能。
1）本工作通过Co基ZIF-67的两步可控热解法，成功构建了一种氮掺杂碳包覆的Co纳米颗粒催化剂（Co@NC-T，T为退火温度）。该Co@NC催化剂在全谱光下表现出优异的光热CO2加氢到CO的性能，速率达到0.75 mol gcat−1 h−1。
本工作通过两步可控热解ZIF-67前驱体，成功制备了氮掺杂碳包覆的Co纳米颗粒光热催化剂（Co@NC），并将其应用于光热CO2加氢反应。由于成功构筑的氮掺杂碳层，Co@NC催化剂在全谱光照射下实现了0.75 mol gcat−1 h−1光热CO2加氢制CH4 生成速率成速率和92.6%选择性，并且表现出良好的催化稳定性。结合实验表征和理论模拟，发现氮掺杂碳包覆能够极大地促进了反应物CO2和H2在催化剂表面活化，并同时促进产物CO的脱附过程，从而显著提升了光热CO2加氢制CO的性能。
熊宇杰，中国科学技术大学讲席教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。2004至2011年先后在美国华盛顿大学（西雅图）、伊利诺伊大学香槟分校、华盛顿大学圣路易斯分校工作。2011年辞去美国国家纳米技术基础设施组织的首席研究员职位，回到中国科学技术大学任教授，建立独立研究团队。2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士（FRSC）。2018年获聘长江学者特聘教授，入选国家万人计划科技创新领军人才。2022年当选东盟工程与技术科学院外籍院士（FAAET(F)）、新加坡国家化学会会士（FSNIC）。现任ACS Materials Letters副主编。长期从事光电催化研究，通过发展“精准合成-多域表征-数据驱动”交叉研究范式，推动生态系统重构应用。已发表200余篇通讯作者论文（60篇Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和Adv. Mater.），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单、全球前2%顶尖科学家榜单、爱思唯尔中国高被引学者榜单（引用36,000余次，H指数96）。2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），2014-2016和2018年四次获中国科学院优秀导师奖，2015年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，2019年获英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖，2021年获安徽省自然科学一等奖（第一完成人）。
赵惠军，澳大利亚科学院、工程院双院院士，澳大利亚格里菲斯大学催化与清洁能源中心主任，英国皇家化学会会士，澳大利亚皇家化学会会士，EcoMat副主编。研究兴趣主要集中在能源和环境纳米材料、水源控制与管理、场传感技术和水环境质量评估方向，近期主要研究方向之一为探索多种非贵金属材料活化的新方法，设计并实现利用非贵金属作为新一代高活性催化剂的可行方案。在包括Nature、Nat. Energy、Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等SCI期刊上发表500余篇，引用40,000余次，h-index 103，入选科睿唯安高被引学者。在功能性纳米材料和纳米技术、光电催化和环境监测系统等领域获得68项国际专利，并全部实现产业化应用。
刘东，中国科学技术大学特任教授，博士生导师。分别于2012年和2017年在中国科学技术大学取得学士和博士学位，师从熊宇杰教授。博士毕业后前往新加坡南洋理工大学从事博士后研究，导师Prof. Liu Bin和Prof. Xue Can。2021年5月通过中科院引才B类项目加入中国科学技术大学苏州高等研究院/化学与材料科学学院。截至目前，已在Chem. Rev., Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Res., Sci. Bull.等国内外重要学术期刊上发表论文28篇，他引1500余次，H 因子18 (Google Scholar)。入选姑苏创新创业领军人才计划（2021年）、苏州工业园区青年国际型学科领军人才（2021年）。担任Chinese Chemical Letters青年编委以及PNAS, Adv. Mater.等期刊审稿人。
龚万兵，2018年在中国科学技术大学获得博士学位，现在中国科学技术大学微尺度国家研究中心任副研究员，主要致力于高效非贵金属纳米催化材料的构筑及其催化性能的研究。近五年，以第一作者（含共一）及通讯作者发表研究性学术论文二十余篇，包括Adv. Mater. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (2), J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., ACS Nano, Nano Res. (2)、Chinese J. Catal. 等。主持国家基金项目2项，担任Chinese Journal of Structural Chemistry青年编委以及Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem.等期刊审稿人。
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