大連化學(xué)物理研究所利用鎧甲催化劑實現(xiàn)全光譜光熱增強電解水析氧反應(yīng)

　　近日，大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室能源與環(huán)境小分子催化研究中心(509組群)鄧德會研究員和于良研究員團隊在“鎧甲催化劑”全光譜高效光熱催化轉(zhuǎn)化研究上取得新進展。團隊以石墨烯封裝CoNi金屬“鎧甲催化劑”為基本單元，構(gòu)筑了等級納米籠結(jié)構(gòu)，提升了太陽光吸收率、光熱轉(zhuǎn)化效率和催化反應(yīng)活性，進而實現(xiàn)了全光譜吸收-太陽光熱增強電解水析氧反應(yīng)過程。該工作為全光譜太陽光熱轉(zhuǎn)化高效催化劑的設(shè)計和應(yīng)用提供了新思路。
 

　　光熱轉(zhuǎn)化是基于光激發(fā)材料電子能級或振動能級躍遷弛豫中的電聲耦合效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。利用太陽光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的高溫替代傳統(tǒng)加熱方式來驅(qū)動催化反應(yīng)，對于降低碳排放、建立綠色催化技術(shù)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)光熱材料難以同時具備高效光熱轉(zhuǎn)化能力和高催化活性，所以通常需要光熱材料與催化材料的復(fù)合來實現(xiàn)光熱催化轉(zhuǎn)化，這限制了對太陽光熱的利用效率。開發(fā)兼具高吸光率、高光熱轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)異催化活性的新型光熱催化劑，實現(xiàn)在催化位點處的全波段太陽光高效捕集和光熱轉(zhuǎn)換，是太陽能光熱催化高效利用的關(guān)鍵但卻極具挑戰(zhàn)。
 

　　

       鄧德會團隊長期致力于二維催化材料的表界面調(diào)控研究，基于石墨烯封裝金屬納米粒子結(jié)構(gòu)，在國際上提出“鎧甲催化”概念，并在鎧甲催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計和催化性能調(diào)控方面開展了系統(tǒng)的研究工作(Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nat. Nanotechnol.，2016；Energy Environ. Sci.，2016；Adv. Mater.，2017；Adv. Mater.，2019；Energy Environ. Sci.，2020；Adv. Mater.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；The Innovation，2021；Nat. Commun.，2021)。在此基礎(chǔ)上，團隊發(fā)現(xiàn)在石墨烯封裝CoNi合金鎧甲催化劑中，金屬-石墨烯電子相互作用可提升石墨烯價帶和導(dǎo)帶電子態(tài)密度，從而在激發(fā)石墨烯表面催化活性的同時增強了石墨烯層的光吸收率和光熱轉(zhuǎn)化率。進一步，團隊利用鎧甲催化劑作為基本單元組裝成類似“黑體模型”的中空等級納米籠結(jié)構(gòu)，這種獨特的結(jié)構(gòu)不僅增強了光在納米籠鎧甲催化劑外表面的吸收，也促進了透進納米籠內(nèi)光的多重吸收與光熱轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)了全太陽光譜98%的吸收率和高達97%的光熱轉(zhuǎn)換效率。在電解水析氧反應(yīng)中，該催化劑的高效光吸收與光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的表面局域高溫，有效降低了反應(yīng)熱力學(xué)限制并促進了反應(yīng)動力學(xué)，使得電解水電壓降低超過240mV，達到傳統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)整體加熱手段無法實現(xiàn)的效果。該工作展現(xiàn)了太陽光熱轉(zhuǎn)化在促進催化反應(yīng)中的重要應(yīng)用潛力，并為設(shè)計新型高效光熱催化劑提供了新思路。
 

　　相關(guān)研究成果以“Full-Spectrum Light-Harvesting Solar Thermal Electrocatalyst Boosts Oxygen Evolution”為題，于近期發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上，并被選為后封面文章。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃和遼寧濱海實驗室等項目的資助。(文/圖 徐名夏、于良)