1. 文章（zhāng）信息

標題（tí）： Ir-CoO Active Centers Supported on Porous Al2O3 Nanosheets as Efficient and Durable Photo-Thermal Catalysts for CO2 Conversion.

作者：Yunxiang Tang, Tingting Zhao, Hecheng Han, Zhengyi Yang, Jiurong Liu, Xiaodong Wen,*and Fenglong Wang*.

頁碼：Advanced Science, 2023, 2300122.

2. 文章鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202300122

3. 期刊信息

期刊名：Advanced Science

ISSN：2198-3844

2021年影響因子：17.521

分區信息：中科院1區Top；JCR分區（Q1）

涉及研究（jiū）方向：材料科學

4. 作者信息：第（dì）一（yī）作者是山東大學（xué）材料科（kē）學與工程學院博士生湯雲祥。通訊作者為山東大學材料科學（xué）與工程學（xué）院王鳳龍（lóng）教授和中國科學院山西煤炭化學研究所/中（zhōng）科合成油溫曉東研究（jiū）員（yuán）。

5. 產（chǎn）品推薦（jiàn）：光功率計CEL-NP2000、GPPCM光催化（huà）評價（jià）係統

文章簡介（jiè）： 

本研究工作中使用負載在多孔Al2O3載體上的Ir-CoO活（huó）性中（zhōng）心作（zuò）為催化劑，用（yòng）於光熱催化CO2加（jiā）氫製CH4。Ir納米顆粒與CoO的（de）密切相互作用以及Al2O3載體的穩定作用是其優異催化性能的主要原因。DFT計算和數值模擬的機理研究表明，CoO納米顆粒作為（wéi）光催化劑為Ir納米顆（kē）粒提供電子，同時作為“納米加熱器”有效提（tí）高Ir活性位點周圍的局部（bù）溫度，從而促進反應物分子的吸附、活化和轉化。原位紅外光譜證明光照也有效地促進了*HCOO中間（jiān）體的轉（zhuǎn）化（huà）。本工作中，基（jī）於最優（yōu）的催化劑，在250 ℃光照和常壓下，CH4產率高達128.9 mmol gcat-1 h-1，選擇性為92%。

首先將合成的Ir納米顆（kē）粒(~1.7 nm)負載在CoAl層狀雙氫氧化物(LDH)表麵（miàn），得到Ir/CoAl LDH複合材料，然後在（zài）5 vol.% H2/N2流（liú）中煆燒2小時，生成Ir-CoO/Al2O3催化劑（jì）。TEM圖像顯示，Ir-CoO/Al2O3複合材料保留了（le）Ir/CoAl LDH前驅體（tǐ）的片狀結構。值得注意的是，Ir納米（mǐ）顆粒被負載在CoO(~ 10 nm)上，而不是多孔的Al2O3載體上。此外，球差校正（zhèng）HAADF-STEM圖像清楚地（dì）顯示Ir元素在CoO上的分布（bù），證實了Ir與CoO的緊（jǐn）密接觸。通過XPS研究了催化劑的（de）表麵化學性質和各組（zǔ）分之間的相（xiàng）互作用。如圖所示，在（zài）複（fù）合材料中，Ir納米顆粒主要以Ir0狀態存在，Co主要以CoO的形式存在。與Ir/CoAl LDH相比，Ir-CoO/Al2O3的Ir 4f5/2和Ir 4f7/2峰向結合能（néng）較低的區域移動，表明Ir/CoO/Al2O3中Ir原子的電子密度高於（yú）Ir/CoAl LDH。這些結果驗證了Ir-CoO/Al2O3複合材料中Ir納米顆粒與CoO之間的（de）密切相互作用和電（diàn）子轉移。

另外，作者還研究了Ir/Al2O3、CoO/Al2O3和Ir-CoO/Al2O3催（cuī）化劑的光熱轉化能力。在光照下，三（sān）種催化劑的表麵溫度迅速升（shēng）高，約3分鍾後達到峰（fēng）值。Ir-CoO/Al2O3的最高表麵溫度（dù）達到（dào）90 ℃，比Ir/Al2O3和CoO/Al2O3分別（bié）高37 ℃和15 ℃。為了深入研究Ir-CoO/Al2O3光熱效應增強機理，作者采用COMSOL Multiphysics基於有限元方法模擬了光（guāng）照（zhào）下CoO、Ir納（nà）米顆粒和Ir-CoO的感應電場分布。結果表明，當Ir納（nà）米顆（kē）粒與CoO緊密接觸時，在界麵處產生了極其強烈的局域電磁場，由於半（bàn）導體表麵附（fù）近的LSPR效應，導致近場增強(圖1e-g)。高場強也（yě）意味著（zhe）更多的載流子產生和轉移，這有（yǒu）利於反應物分子的活化。

此外，增（zēng）強的局域電磁場衰（shuāi）減過程中產生的（de）熱（rè）也會導致活性位點周圍溫度的急（jí）劇升高，從而有效地降低反（fǎn）應物（wù）分子的活化能。為此，還模（mó）擬（nǐ）了樣品的穩態溫度分布(圖1h-j)。結果表明，在光照（zhào）射下，誘導的高電場弛豫產生的熱使Ir-CoO界麵（miàn）溫度顯著升高，由（yóu）於Ir的熱導率較高，熱能被有效（xiào）地傳遞給Ir納米顆粒。因此，Ir-CoO界麵上的CoO可以（yǐ）作為光催化劑提供載（zǎi）流（liú）子，也可（kě）以作為“納米加熱器”迅速提高Ir活性位點局（jú）部溫度。

圖1、Ir/CoAl LDH和Ir/CoO/Al2O3的高分辨XPS能譜，(a) Ir 4f，(b) Co 2p和(c) O 1s；(d) CoO/Al2O3，Ir/Al2O3和Ir/CoO/Al2O3在可見光照射下的溫度變化曲（qǔ）線；光照射下（xià）CoO、Ir納米顆粒和Ir-CoO複（fù）合材料的(e-g)感（gǎn）應電場分布和(h-j)溫度分布。

作者在流（liú）動固定床反應器中考察了催化劑的光熱催化（huà）CO2加氫性能。如圖2a所（suǒ）示，所有催化劑的催化活性（xìng）都（dōu）隨著反（fǎn）應溫度的（de）升高而增加，並在250 ℃時比較了不同催化劑的（de）催化性能。CoO/Al2O3催化劑表現出較低的催化活（huó）性，CH4產率（lǜ）為6.85 mmol gcat−1 h−1，說明Ir納米（mǐ）顆粒作（zuò）為活性位點扮演非（fēi）常重要（yào）的（de）作用。相比CoO/Al2O3，Ir-CoO/Al2O3催化劑均表現出明顯增強的催化（huà）活性（xìng），且CH4產（chǎn）率隨Ir含量的變化呈現火山狀（zhuàng）趨勢。最佳催化劑的CH4產生速率為128.9 mmol gcat−1 h−1 (80.6 mol gIr−1 h−1)，選擇性為92%，顯著優於其他金屬基催化劑。

為了進一步研究光對催化活性的影響，作者比較了熱催（cuī）化(黑暗)、光驅動和光熱條件下的CH4產率，結果如圖2d所示（shì）。這些結果清（qīng）楚地表明，外部熱和光照射協同增強了CO2加氫性能，獲得了比單一光照射和單一熱催化條（tiáo）件下更高的CH4產率。此外，該催（cuī）化劑在30 h的持續測試中活性沒有降低證明其（qí）具有優異的（de）穩定性。

圖2、(a)催化劑在不同反應溫度下的CH4產率；(b) 0.16%Ir-CoO/Al2O3催化（huà）劑在不同反（fǎn）應（yīng）溫度下的產物選擇性（xìng）和CO2轉化率；(c)本工作（zuò）與以往其他文獻中CH4產生速率的比較；(d) 0.16%Ir-CoO/Al2O3催化劑在不同條件下產物的產率；(e) 0.16%Ir-CoO/Al2O3催化劑在不同光照（zhào）條件下的CH4產率；(f)穩定性測試。

綜上所述，本文製（zhì）備了Ir-CoO/Al2O3催化（huà）劑，在溫和條件下實現了高效光（guāng）熱催化CO2甲烷化。此外，該工作還采用了原位紅外光譜與理論計算揭示了CO2甲烷化反應機理。該研究提出了光熱半導體作為提供電子的光催化劑和作為局部溫度增強的納（nà）米加熱器的雙重功能機製，為探索高效光熱催化劑提供（gòng）了新（xīn）的思路。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202300122