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核壳Cu@Cu2O纳米颗粒嵌入3D蜂窝状N掺杂的石墨碳中用于光催化CO2 还原

邃瞳科学云

2022-02-03

导读：该观点文章探究了Cu@Cu2O/N-GC催化剂在 300 W Xe光灯照射下的光催化CO2还原性能及机理分析。

文章信息

核壳 Cu@Cu₂O 纳米颗粒嵌入 3D 蜂窝状 N 掺杂的石墨碳中用于光催化 CO₂ 还原

第一作者：何浪

通讯作者：刘胜*，赵焱*

单位：武汉大学

研究背景

二氧化碳（CO₂）是导致全球变暖问题的温室气体的主要来源之一。燃烧化石燃料和大面积砍伐森林显着增加了大气中二氧化碳的含量。因此，除了控制 CO₂ 的产生外，科学家们还在制定伟大的的战略，将CO2和太阳能转化为增值化学原料（C₁：CO、CH₄、HCOOH；C₂：乙烯、乙醇等）。

本篇观点展示了一种简单有效的聚合物处理策略来制造一种新型复合材料：核壳 Cu@Cu₂O 纳米颗粒 (NPs) 嵌入3D 蜂窝状多孔N掺杂的石墨碳中，核壳Cu@Cu₂O NPs中的Cu与Cu₂O NPs不仅增加了其电导率而且还与3D蜂窝状N-GC具有协同作用。其中N-GC为CO₂扩散提供了良好的流动通道。核壳Cu@Cu₂O NPs与多孔N-GC蜂窝状框架之间的紧密接触也促进了电子转移反应的发生。本研究结果对高效核壳型光催化剂的设计和合成具有一定的指导意义

文章简介

在这里，来自武汉大学的刘胜教授与赵焱教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Core-Shell Cu@Cu₂O Nanoparticles Embedded in 3D Honeycomb-like N-Doped Graphitic Carbon for Photocatalytic CO₂ Reduction”的观点文章。该观点文章探究了Cu@Cu₂O/N-GC催化剂在 300 W Xe光灯照射下的光催化CO₂还原性能及机理分析。

本文要点

要点一：合成

Figure 1. The illustration of design and synthesis of Cu@Cu₂O/N-GC by polymer thermal treatment.

将 3.0 g PVP 溶解在 90 mL 离子水中, 并在溶液中加入 4.5 g Cu(NO₃)₂·3H₂O。将混合物在 95 °C 下保持搅拌直至完全干燥以形成 PVP-Cu²⁺ 前体（浅青色粉末）。PVP-Cu²⁺前驱体在N₂气氛下在管式炉中以5°C·min^-1的升温速率加热至目标煅烧温度，并在该温度下保持1小时。为了研究煅烧温度的影响，PVP-Cu²⁺ 前体在三种不同的温度（500，600 和 700 °C）下进行了煅烧。最终产品标记为 Cu@Cu₂O/N-GC-T，其中 T 是煅烧温度。

要点二：性能

Figure 2. (a) Photocatalytic activities of the CO₂ reduction over different photocatalysts. (b) The long-term photocatalytic activities of Cu@Cu₂O/N-GC-600 for CO₂ reduction. (c, d) GC–MS isotope labeling experiments for the Cu@Cu₂O/N-GC-600 catalysts.

实验证明，在 300 W Xe光灯照射下Cu@Cu₂O/N-GC-600催化剂光催化CO₂ 还原产物主要为CH₄ 和 CO。其中，CH4产率为38.89 μmol/·g，CO产率为27.78μmol/g。在循环42 h , Cu@Cu₂O/NGC-600催化剂活性无明显损失。因此，Cu@Cu2O/N-GC-600作为一种非贵金属光催化剂，在高效光催化CO₂RR方面具有巨大的应用潜力。

此外，对12C和13C标记的CO₂进行了光催化还原，以确定产物的真正来源。在图2c~d中，m/z = 29和17的唯一信号验证了产物中的CO和CH₄来自碳源13CO₂中的13C。

要点三：机理

Figure 3. In situ DRIFTS spectra of Cu@Cu₂O/N-GC-600: a) without the introduction of CO₂/H₂O in the dark, (b–c) after adsorption of CO₂/H₂O for 30 and 60 min in dark, and (d–e) under light irradiation for 30 and 60 min.

采用原位漫反射红外傅里叶变换光谱 (DRIFTS) 来探索Cu@Cu₂O/N-GC 催化剂上的 CO₂ 光还原机制。确定了在光照还原过程中，吸附在 Cu@Cu₂O/N-GC 表面的 CO₂ 分子转化为 CO 和 CH₄ 的一系列中间产物。

要点四：小结

Cu、Cu₂O和N-GC相互作用对CO₂RR光催化性能的影响主要表现在:Cu、Cu₂O和N-GC相互作用的协同增强;(ii)独特的核壳Cu@Cu₂O NPs结构增强了电荷转移特性。(iii)三维蜂窝状框架提供了丰富的活性反应位点。本工作中的这种方法可以进一步扩展到其他相关核壳过渡金属纳米结构的合成，并将为低成本、高性能CO₂RR光催化剂的设计和开发提供新的机遇

文章链接

Core-Shell Cu@Cu₂O Nanoparticles Embedded in 3D Honeycomb-like N-Doped Graphitic Carbon for Photocatalytic CO₂ Reduction”

https://doi.org/10.1039/D1TA10514K

通讯作者简介

刘胜教授、博士生导师，武汉大学动力与机械学院院长、工业科学研究院执行院长、武汉大学微电子学院副院长。

从事高密度集成电路、微纳制造及封装科学与工程研究三十余年，取得了系统的创新成果，建立了电-湿/热-应力等多场耦合下缺陷调控设计理论和技术体系，解决了高密度芯片封装翘曲、开裂和寿命短的难题，提高了芯片产品成品率和寿命。2020年带领四家上市公司获得国家科学技术进步一等奖。2016年带领上市公司瑞丰光电等企业获国家技术发明二等奖。2018年获得华中地区首个高校的部级推荐项目（6500万），2017年主持科技部重点研发计划《金属增材制造在线监测系统》（2648万）。发表SCI论文300余篇，SCI他引4936次，出版专著5部(英文3部)，授权发明专利159项。

赵焱，武汉理工大学首席教授、博导

武汉大学工业科学研究院二级教授，国家特殊人才专家和湖北省“百人计划”专家，长期从事理论计算化学和计算材料学等邻域的研究工作，在高精确度理论化学数据库的发展、新一代密度泛函的开发和应用、纳米材料的模拟、计算催化、计算化学软件开发、3D打印等领域做出了开拓性贡献。全世界许多研究小组应用赵教授发展的M06密度泛函方法进行理论计算模拟研究，有8位诺奖获得者运用过M06系列泛函，20篇 Nature、46 篇 Science、29篇Nature Chemistry、17篇Nature Catalysis, 7篇Nature Materials的论文都运用了赵焱教授发展的M06理论计算方法。在其研究领域的国际权威刊物上发表高水平研究论文160余篇, SCI引用超过50000余次, M06论文单篇引用超过18000，H因子为58， 2014-2017连续4年都被美国汤森路透集团和科睿唯安公司列入全球高被引科学家名单。赵焱教授是美国惠普公司MJF-3D打印技术的主创人员之一，获得国际专利25项, 担任《Energy & Environmental Materials》（IF=15.122）副主编,《Interdisciplinary Materials》学术主编。

第一作者介绍

何浪博士研究生

现就读于武汉大学工业科学研究院。主要从事光催化CO2还原、光催化析氢、石墨化碳复合材料的设计合成。以第一作者在Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Materials Chemistry A，Journal of Hazardous Materials等期刊上发表SCI论文6篇.

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