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南京大学《Nature》子刊：二维材料助力光热催化产率提高3-4倍！

学术   2024-11-05 21:11   江西  
光热催化是一种将太阳能转化为化学能的前景广阔的技术，旨在减少对化石燃料的依赖。传统的光热催化材料，如常见的光催化剂，通常集中于提高太阳能的吸收和催化性能。然而，这些材料在应用过程中常常面临热辐射过高的问题，这限制了它们的光热催化效率。因此，优化材料的热辐射特性成为了提升光热催化性能的重要挑战。
近日，2020年科学探索奖获得者、南京大学教授朱嘉团队在光热催化领域取得了突破性进展。该课题组设计并制备了一种基于Ti3C2Tx Janus结构的光学选择性催化剂。相较于传统材料，该催化剂具有显著的优点：一方面，通过优化设计，实现了最小化热辐射和最大化太阳能吸收；另一方面，该催化剂还表现出优异的催化性能。这种创新的Ti3C2Tx Janus结构催化剂能够同时降低催化剂的热辐射和提高太阳能的吸收，显著提高了催化反应的效率。

具体来说，该团队利用Ti3C2Tx薄片的高中红外介电常数设计了3D多孔结构，使得催化剂能够有效地减少热辐射，并在相同照射强度下实现了约300%的催化产率提升。在萨巴捷反应和逆水气转化反应（RWGS）的实验中，该催化剂的表现尤为出色：在2 W cm−2的光功率下，CO2甲烷化反应的产率达到了3317.2 mmol gRu−1 h−1，创下了无活性载体催化剂的性能记录。这一进展不仅为光热催化中的CO2还原提供了新途径，也为绿色化学中光热驱动的各种反应奠定了基础。

文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51896-4


图 1 | 工程化光学选择性贾努斯设计。

图 2 | 设计的光热主体和Ru-loaded MXene催化剂（Ru@m-Ti3C2Tx）的表征。
图 3 | 两种不同侧面结构引起的不同光热效应比较。
图 4 | 设计的光谱催化剂的光热催化性能及机理分析。
总之，本文展示了一种基于3D Ti3C2Tx结构的光学选择性催化剂，这种催化剂具有低的中红外介电常数（εMIR）、高的光吸收能力（αlight）以及快速的质量传递动力学。Ti3C2Tx薄片在中红外区域具有高的面内介电常数，这使其具备理想的εMIR，从而降低了催化剂的热辐射。同时，设计的3D多孔结构由Ti3C2Tx球体组成，为反应物/产物的质量传递提供了大量通道。

此外，这种通用结构可以与各种纳米粒子催化剂集成，用于多种反应。以萨巴捷反应（Sabatier reaction）和还原水气反应（RWGS）为例，作者实现了CH4和CO产率分别提高了约3倍和4倍的效果，相较于未采用该设计的情况。CO2甲烷化反应的产率在2 W cm−2的光功率下达到了3317.2 mmol gRu−1 h−1，创下了独立于活性载体的催化剂的性能记录。作者认为，这种光学选择性催化剂的设计不仅为光热催化中的CO2还原提供了一种新途径，还促进了各种光热驱动化学反应向绿色化学的发展。

本文来自“低维材料前沿”。

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