Advanced Energy Materials:富缺陷的氧化锆载体锚定单原子Ni用于光催化CO2还原

能源危机和温室效应问题,本质上源于人类对化石燃料的过度使用。为了人类社会的可持续发展,近些年来越来越多的研究都聚焦在利用太阳光,将温室气体CO2还原为可用化学品,如CO等产物。从化学角度而言,CO2分子中碳氧双键键能为750 KJ/mol,使得CO2气体本身较为惰性,导致其难以被还原。其次,受水分解产氢、CO2还原中间路径复杂等客观因素影响,将CO2转化为特定还原产物难度很大,造成了CO2还原选择性差。因此,开发一种可以高活性、高选择性的CO2还原光催化剂,成为了该领域的热点和难点。

近年来,单原子催化剂被证实可以实现高活性、高选择性的CO2还原。但是,受制于大多数金属单原子分散的基底为碳氮类载体,在实际的光催化应用中往往需要牺牲剂的使用来避免光腐蚀。所以,开发新型的金属-氧化物类的单原子催化剂,避免牺牲剂等额外添加剂的使用,是该领域一种有前景的方向。

中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员采用新颖的溶胶/凝胶-煅烧方法,开发了一种富缺陷氧化锆载体上单分散Ni原子的单原子型光催化剂。这种光催化剂充分利用了氧化锆材料上的缺陷位点,不仅为单原子的制备工作提供了成功范例,也丰富了科研人员对于缺陷位点应用的认识。与只含有缺陷位点的氧化锆相比,同时具备Ni单原子和缺陷位点的氧化锆表现出来了更高的CO2还原为CO的活性(11.8 µmol g−1 h−1)和CO的选择性(92.5%)。为了更深入细致的研究这种单原子催化剂还原CO2的特性,通过原位红外漫反射光谱(in-situ DRIFT)和密度泛函理论(DFT)的计算,我们发现单原子Ni位点不仅降低了CO2还原为CO的过渡态活化能,而且极大地抑制了表面H2的脱附,从而同时提升CO2还原为CO的活性与选择性。

本文通过引入单原子位点到富缺陷的金属氧化物材料中,为开发新型高效单原子光催化剂提供了新的研究思路。相关研究工作已发表在Adv. Energy Mater.上(DOI:10.1002/aenm.202002928)。