超高选择性CO2光还原为乙醇的CuNi异核双原子催化剂的精准设计

• Published in: 催化学报 Vol. 59; no. 4; pp. 126 - 136
• Main Authors: 崔恩田, 鲁玉莲, 江吉周, Arramel, 王定胜, 翟天佑
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 盐城工学院江苏省新型环保重点实验室,江苏盐城 224051,中国%武汉工程大学环境生态与生物工程学院,湖北新型催化材料工程研究中心,教育部磷资源开发利用工程研究中心,教育部绿色化工过程重点实验室,湖北武汉 430205,中国%印尼纳米中心,万丹,印尼%清华大学化学系,北京 100084,中国%华中科技大学材料科学与工程学院材料加工与模具技术国家重点实验室,湖北武汉 430074,中国 2024
• Subjects: Electron enrichment; Asymmetric electronic distribution; CuNi异核双原子; 不对称电子分配; Photocatalysis; CO2-乙醇转化; CO2-to-ethanol conversion; 光催化; 电子富集; CuNi heteronuclear diatoms
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64630-3

利用光催化还原技术将CO2定向转化为乙醇(CO2-乙醇)是解决日益严重的环境污染和能源危机的理想途径之一.然而,CO2分子的高化学惰性以及C-C耦合反应的高化学能垒导致目前CO2-乙醇转化反应的产率和选择性较低.因此,设计构建能够快速活化CO2分子并同时促进C-C耦合的光催化材料具有重要研究意义.尽管已有研究表明,Cu+物种在促进C-C耦合方面具有一定优势,但其在催化反应过程中的不稳定性限制了其实际应用. 基于上述认识,本文通过理论模拟预测发现,相比于Cu单原子,CuNi异核双原子(CuNi HDAs)不仅在CO2活化及C-C耦合方面更具优势,而且能够有效锚定并固化Cu+物种.因此,本文设计了一种三步合成策略,精准地将Cu单原子锚定在(Ni,Zr)-UiO-66-NH2材料的Ni位上,合成了以CuNi HDAs为活性位点的Cu-(Ni,Zr)-UiO-66-NH2光催化材料.在可见光照射下,Cu-(Ni,Zr)-UiO-66-NH2表现出较好的催化CO2-乙醇转化活性,其乙醇的产率和选择性分别达到～3218 μmol·gcu-1·h-1和97.3％.光谱分析和密度泛函理论计算结果表明,Cu-(Ni,Zr)-UiO-66-NH2材料较好的光催化性能来源于CuNi HDAs特殊的电子结构.首先,CuNi HDAs通过CuNi-O界面化学键与吸光组分(Ni,Zr)-UiO-66-NH2相连,利用界面Cu-Ni-O键作为快速电子传输通道,CuNi HDAs能够富集到足够的光生电子用于涉及12电子的CO2-乙醇转化反应,使得乙醇产率大幅提升.其次,Cu,Ni和O三种原子由于电子亲核能的差异,导致CuNi HDAs的电子分布呈现不对称性.这种不对称的电子结构能有效诱导CO2分子的极化,打破其结构的对称性,从而显著降低CO2分子的活化能.再次,相比于Cu单原子,CuNi HDAs对*CO中间体的吸附能力更强,这不仅增强了活性位点表面*CO中间体的覆盖度,还抑制CO的生成,为C-C耦合创造了充分条件.最后,由于Cu-Ni双活性位电子密度的差异,CuNi HDAs表面的C-C耦合反应势能较低,有利于*OCCHO中间体的快速生成,从而使乙醇产物的选择性大幅提升. 综上,本文以理论计算模拟为指导,以UiO-66-NH2材料为基底,成功设计并制备了一种具有不对称电子结构的CuNi HDAs光催化材料,实现了高选择性CO2光还原为乙醇.研