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Angew. Chem. :金属性Ni-MOF用于富集和光-热协同催化转化空气中CO22023-12-22
随着工业化的快速发展,大气中CO2的浓度已超过416 ppm,这导致了全球气温的持续上升。如果不进行干预,到2100年,空气中的CO2浓度会达到530-980 ppm,将远超政府间气候变化专门委员会(IPCC)设定的450 ppm的目标。从某种意义上说,利用空气中CO2为原料,通过发展绿色、可持续性技术合成燃料或高值化学品是解决气候变化的终极方法。但空气中超低浓度的CO2(~0.04%)扩散慢、吸附难,导致实现该技术具有很强挑战性。

利用可再生太阳能和光催化技术进行CO2还原,具有绿色环保和无二次污染等特点,被认为是CO2转化的有效途径之一。然而,目前光催化还原CO2研究主要集中在紫外和可见光范围,很难利用红外光实现CO2还原。

受绿色植物转化空气中CO2的启发,哈尔滨工业大学李英宣教授团队开发了一种多功能金属性Ni-MOF,通过负载Pt纳米粒子得到Pt/Ni-MOF光催化剂,该材料可选择性地从空气中提取和富集超低浓度的CO2(吸附量达到了0.987 mmol g−1),再利用Pt/Ni-MOF的光-热协同催化特性,将富集的CO2原位转化为CO和CH4,该反应中Pt/Ni-MOF在940 nm 波长处的量子效率达到了9.57%。

 

 

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催化反应机理研究表明:Pt/Ni-MOF光催化剂中开放的Ni位点有利于捕获和活化大气中的CO2,而Pt纳米粒子则主要为H2分子的活化位点。在光-热协同催化CO2还原反应中,光激发产生的电子有效提升了Pt位点分解H2分子的能力(H2 → 2H*)。热的作用是促进光解离的H*从Pt位点溢流到Ni位点,同时驱动溢流的H*将吸附在Ni位点上CO2被还原为CO和CH4。这种光-热和Pt-Ni双活性位点的协同作用导致Pt/Ni-MOF光催化剂具有高效转化空气中痕量CO2的能力。

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作为新一代光催化剂,金属性Ni-MOF实现了近红外光光催化还原CO2,突破了当前光催化剂很难高效利用低能量红外光还原CO2的局限。此外,该研究通过集成CO2捕获和转化过程,消除了CO2传输和储存、捕获介质再生和CO2分子释放等高耗能环节,大幅降低了直接转化空气中痕量CO2的能耗。

文信息

Synergistic Interplay of Dual-Active-Sites on Metallic Ni-MOFs Loaded with Pt for Thermal-Photocatalytic Conversion of Atmospheric CO2 under Infrared Light Irradiation

Ma, Weimin, Sun, Jingxue, Yao, Shunyu, Wang, Yutao, Chen, Gang, Fan, Guodong, Li, Yingxuan

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202313784