1. 文章信（xìn）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（kān）信息

期（qī）刊名：Advanced Science

ISSN：2198-3844

2021年影（yǐng）響因子：17.521

分區信息：中科院1區Top；JCR分區（Q1）

涉及研究方向：材料科學

4. 作者信息：第一作者是山（shān）東大學材料科學與工程學院博士生湯雲祥。通訊作者為（wéi）山東大學材料科學與工程學院王鳳龍（lóng）教授和中國科學院山（shān）西煤炭化學研究（jiū）所/中科合成油（yóu）溫曉東研究員。

5. 產品推薦：光（guāng）功率計CEL-NP2000、GPPCM光催化評價係統

文章簡介： 

本研究工作中使用（yòng）負載在多孔Al2O3載體上的Ir-CoO活性中心作（zuò）為催化劑（jì），用於光熱催化CO2加氫製CH4。Ir納米（mǐ）顆粒與CoO的（de）密切相互作用以（yǐ）及Al2O3載體（tǐ）的（de）穩定作用是其（qí）優異（yì）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（nà）米顆粒作為光催化劑（jì）為Ir納米顆粒提供電子，同時作為“納米加熱器”有效提高Ir活性（xìng）位（wèi）點周圍的局部溫度，從而促進反應物分子的吸附、活化（huà）和轉化（huà）。原位紅外光譜證明光照也有效地促進了*HCOO中間體（tǐ）的轉化。本工作中，基於最優的催化劑，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納米顆粒(~1.7 nm)負載在CoAl層狀（zhuàng）雙氫氧化物(LDH)表麵，得（dé）到Ir/CoAl LDH複（fù）合材料，然後在5 vol.% H2/N2流中煆燒2小時，生成（chéng）Ir-CoO/Al2O3催化（huà）劑（jì）。TEM圖像顯示，Ir-CoO/Al2O3複合材料保留了Ir/CoAl LDH前驅體的片狀結構。值得注意（yì）的是，Ir納米顆粒被負載在CoO(~ 10 nm)上，而不是多孔的Al2O3載體上。此外，球差（chà）校（xiào）正HAADF-STEM圖像（xiàng）清（qīng）楚地顯（xiǎn）示Ir元素在（zài）CoO上的分布，證實了Ir與CoO的緊密接觸（chù）。通過XPS研究了催化劑的表麵化學性（xìng）質和各組分之（zhī）間的相互作用（yòng）。如圖所示（shì），在複合材料中，Ir納米顆粒主要以（yǐ）Ir0狀態存在，Co主要以CoO的形（xíng）式存在。與Ir/CoAl LDH相比，Ir-CoO/Al2O3的Ir 4f5/2和Ir 4f7/2峰向結合能較（jiào）低（dī）的區域移動，表明Ir/CoO/Al2O3中Ir原子的（de）電子密度高於Ir/CoAl LDH。這（zhè）些結果驗證了Ir-CoO/Al2O3複合材料中Ir納米顆粒與CoO之間的密切相互作（zuò）用和電子轉移。

另外，作者還（hái）研究了Ir/Al2O3、CoO/Al2O3和Ir-CoO/Al2O3催化劑的光熱轉化（huà）能力。在光照下，三種催化劑的表麵溫度迅速升高，約3分鍾後達到峰（fēng）值。Ir-CoO/Al2O3的最高表麵溫（wēn）度達到90 ℃，比Ir/Al2O3和CoO/Al2O3分別（bié）高37 ℃和15 ℃。為了深入研究Ir-CoO/Al2O3光（guāng）熱效應增強機（jī）理，作（zuò）者采用COMSOL Multiphysics基於有限元方法模擬了光照下CoO、Ir納米顆粒和Ir-CoO的感應電場分布。結果表明，當Ir納（nà）米顆粒與CoO緊密接（jiē）觸時，在界麵處產生（shēng）了極其強（qiáng）烈的局域電磁場，由於半導體表麵附近的LSPR效應，導致（zhì）近場增強(圖1e-g)。高場強也（yě）意味著更多的載流子（zǐ）產生和轉移，這有利（lì）於（yú）反應物分子的活化。

此外，增強的局（jú）域電磁場衰減過程（chéng）中產生的熱也會導致活性位點周（zhōu）圍溫度的急（jí）劇升高，從而有效地降低反應物分子的活化能。為此，還模擬了樣品的穩態溫度分（fèn）布（bù）(圖1h-j)。結果表明（míng），在光照射下，誘導的高電場弛豫產生的熱使Ir-CoO界麵溫度顯（xiǎn）著升（shēng）高，由於（yú）Ir的熱（rè）導率較高（gāo），熱能被有效地傳遞給Ir納米顆粒。因此，Ir-CoO界麵上的CoO可以作為光催化劑提供載流子，也可以作為“納米加熱器”迅速（sù）提高Ir活（huó）性位點局部溫度。

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（wēn）度變化曲線；光照射下CoO、Ir納米顆粒和Ir-CoO複合材料的(e-g)感應電場分布和(h-j)溫度分布。

作者在流動固定（dìng）床反應器中（zhōng）考察了催化劑（jì）的光熱催化CO2加（jiā）氫性能。如圖2a所示，所有催化劑的催化活（huó）性都隨著反應溫度的升（shēng）高而增加（jiā），並在250 ℃時（shí）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產率為（wéi）6.85 mmol gcat−1 h−1，說明Ir納米（mǐ）顆粒作為活性位點（diǎn）扮演非常重要的作用（yòng）。相（xiàng）比CoO/Al2O3，Ir-CoO/Al2O3催化劑均表現（xiàn）出明（míng）顯（xiǎn）增強（qiáng）的催化活性，且（qiě）CH4產率隨Ir含量的變化呈現火山狀趨勢。最佳催化劑（jì）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（wéi）了進一步研究光對催化活性（xìng）的影響，作者比較了熱催化(黑暗)、光驅動和（hé）光熱條件下的CH4產率（lǜ），結果如圖2d所示。這些結果清楚地表明，外部熱和光照射協同（tóng）增強了CO2加氫性能，獲（huò）得了比單一光照射和單一熱催化條件下（xià）更高的CH4產率。此外，該催化劑在（zài）30 h的持續測試中活性（xìng）沒有降低證明其具有優異（yì）的穩定性。

圖2、(a)催化劑在不同反應溫度下（xià）的CH4產率；(b) 0.16%Ir-CoO/Al2O3催化劑在不同反應溫度下的產物選擇性和CO2轉化率；(c)本工作與以往（wǎng）其他文獻中CH4產生速率的比較；(d) 0.16%Ir-CoO/Al2O3催化劑在不（bú）同條件下產物的產率；(e) 0.16%Ir-CoO/Al2O3催化劑在不同光照條件下的CH4產率（lǜ）；(f)穩定性測（cè）試。

綜上所述，本文製備了Ir-CoO/Al2O3催化劑，在溫和條件下實現了高效光熱（rè）催化CO2甲烷化。此外，該工作還采用了（le）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（wéi）提供（gòng）電子的光催化劑和作為局部（bù）溫（wēn）度增強的納米加熱器（qì）的（de）雙重功能機製，為探（tàn）索高效光熱（rè）催化劑（jì）提供了新（xīn）的思路。

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