Ag₂₄Au纳米团簇修饰介孔Co₃O₄用于高选择性和高效光热催化CO₂加氢

化石燃料持续使用产生的过量二氧化碳，导致了能源短缺和环境污染等问题。将过剩的CO₂光热催化还原（CO₂RR）为高附加值碳氢燃料是实现可持续发展和碳中和重要途径。在过去的十年里，为了提高CO₂RR的效率，科研人员在光催化剂的设计上投入巨大的努力。然而，低光催化活性和碳产物选择性仍然极大地限制其实际应用。光催化CO₂RR是一个多电子反应过程。通常，贵金属(Au、Ag等)能够通过界面电子转移过程提升光催化材料表面吸附位点的局域电子密度，因此有助于提高光催化CO₂RR活性。因此，通过设计具有丰富表面活性位点的精准结构银基纳米团簇负载的氧化物半导体催化剂以实现高效光捕获和光激发电子迁移，从而达到CO₂RR高催化活性和产物选择性，这是一种将CO₂选择性光催化还原成多电子产物的良好策略。

通过SBA-15作为模板制备出具有高比表面积和多活性位点的介孔Co₃O₄纳米催化剂，该催化剂在不同的反应温度下表现出迥异的CO₂催化活性和选择性，其在350 °C的催化条件下催化活性最好，但是目标产物甲烷的选择性不高。为了提高甲烷的选择性和转化率，具有精确原子结构和类分子特性的Ag₂₄Au团簇作为助催化剂负载于介孔Co₃O₄上。通过实验结果可以得出经Ag₂₄Au团簇助催化剂协同作用，目标产物甲烷的产率提高了近三倍，选择性提高了一倍多。同时研究人员利用CO₂-TPD谱和时间分辨瞬态PL谱研究了目标产物产率和选择性提高的机理等相关理论工作。

图1  Ag₂₄Au团簇的结构特征和光学性质。（a）结构示意图，（b）紫外-可见光谱，（c）稳态PL光谱，和（d）Ag₂₄Au团簇的时间分辨瞬态PL衰减谱。

图2  光热CO₂加氢催化性能测试。不同催化温度和光照条件下的催化性能和CH₄选择性。

图3（a）介孔Co₃O₄和Ag₂₄Au/meso-Co₃O₄的CO₂-TPD谱。（b）Ag₂₄Au/meso-Co₃O₄稳态PL谱和（c）在450 nm的时间分辨瞬态PL衰减谱。（d）Ag₂₄Au上H₂解离的示意图。

金钟，南京大学化学化工学院教授、博士生导师、南京大学天长新材料与能源技术研发中心主任。目前担任江苏省化学化工学会青年工作委员会主任委员、江苏省能源研究会储能专委会委员、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、学术期刊《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》、《Journal of Electrochemistry》和《SmartMat》青年编委等学术任职。主要研究领域是能源化学和材料化学，包括：清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用。已在Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>180篇，他引>12000次，H因子55。获得了2021年国家自然科学奖二等奖(5/5)、科睿唯安全球高被引科学家、江苏省科学技术奖三等奖(1/7)、2020年华为“紫金学者”人才基金、2018年教育部自然科学一等奖(4/7)、江苏省教育教学与研究成果二等奖(1/5)、2017年教育部高校优秀科研成果奖一等奖(4/7)、江苏省首届创新争先奖状、江苏省双创人才、入选全国“大众创业万众创新活动周”核心展区等奖励和荣誉。

Yan Xiong, Xu Liu, Yi Hu, Dong Gu, Minghang Jiang, Zuoxiu Tie & Zhong Jin^*. Ag₂₄Au cluster decorated mesoporous Co₃O₄ for highly selective and efficient photothermal CO₂ hydrogenation. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4133-9.

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