Joule：常壓條件下光催化二氧化碳加氫高選擇性合成甲醇

前言：

2018年4月13日，Joule在線發表了蘇州大學張曉宏教授團隊與多倫多大學Geoffrey Ozin教授團隊合作在光催化還原二氧化碳領域的最新研究成果。該工作首次報道了常壓條件下光催化二氧化碳加氫高選擇性合成甲醇的研究。論文共同第一作者為：王璐博士和Mireille Ghoussoub博士。論文共同通訊作者為：Geoffrey Ozin教授、張曉宏教授和何樂教授。

背景介紹：

甲醇具有較高的體積能量密度，是重要的化工原料及能源載體，有望在未來取代石油和天然氣等傳統化石燃料。熱催化二氧化碳加氫是工業上製備甲醇的重要途徑之一，為了實現較高的選擇性和產率，該熱催化反應必須在高壓條件下進行。常壓條件下高效二氧化碳加氫合成甲醇仍是一個巨大的挑戰。此外，如果能夠利用太陽光驅動該反應，將可再生太陽能轉化為化學能，儲存於甲醇中，對於解決能源危機和減緩溫室效應具有重要的意義。然而，現有光催化材料常壓條件下催化二氧化碳加氫合成甲醇的產率還遠遠低於實際應用的需求。

本文亮點：

該文章報道了富缺陷氧化銦納米棒能夠實際常壓條件下光催化二氧化碳加氫合成甲醇，具有較高的選擇性（50%）和催化活性

圖文解析：

圖1：棒狀In2O3-x(OH)y納米晶超結構的表徵。

要點：由兩步法獲得富缺陷氧化銦納米晶超結構，a為SEM圖，b,c為不同倍數的TEM圖，d為選區電子衍射圖，證明該納米棒由取向基本一致的納米晶超結構組成。e,f分別為XRD及XPS譜圖，證實了該材料為富缺陷氧化銦。

圖2

要點：在總壓力為一個大氣壓、CO2:H2 = 1:1的流動相測試體系，比較了不同溫度和有無光照條件的催化活性，a為CO的產率，b為甲醇的產率，c為選擇性。甲醇的產率和選擇性在250 °C時達到最高（0.1 mmol gcat-1h-1，50%）。在光照條件下，甲醇的產率提高近一倍，選擇性基本不變。

圖

要點：在250°C條件下，對不同In2O3-x(OH)y樣品（包括納米晶和不同條件下製備的納米棒）產甲醇的活性和選擇性進行了研究，發現長度最長的納米棒的活性最高（NR-14h）。

圖4：In2O3-x(OH)y納米晶超結構的光催化穩定性。

要點：在250°C和光照條件下，對活性最高的樣品，進行了20小時的連續測試，在初始1小時活性下降40%後，產率逐漸趨於穩定至0.064 mmol gcat-1h-1，是目前已報道最高活性的120倍，甲醇的選擇性一直穩定在50%左右。

圖5：CO2加氫產甲醇機理分析。

要點：通過密度泛函理論計算了In2O3-x(OH)y納米晶超結構（111）晶面上二氧化碳加氫的反應能。初步結果表明，光照條件下反應路徑沒有發生變化，光的作用機理是降低了反應的活化能。

全文小結：

該文章首次報道了富缺陷棒狀氧化銦納米晶超結構能夠實現常壓條件下光催化二氧化碳加氫合成甲醇，其催化活性是已報道最高活性的120倍，並具有較高的選擇性（50%）和穩定性，為發展常壓條件下光催化二氧化碳加氫合成甲醇的技術提供了新的思路。

張曉宏教授

張曉宏，現任蘇州大學教授、副校長。1989年和1992年於北京航空航天大學獲本科及碩士學位，1996年在北京理工大學獲博士學位。1999年至2001年、2003年作為博士後訪問學者、高級訪問學者分別在香港城市大學COSDAF研究中心、英國劍橋大學Cavendish實驗室從事研究工作。是國家重大研究計劃項目(973)首席科學家，國家傑出青年基金獲得者，“長江學者獎勵計劃”特聘教授，“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，中國科學院“百人計劃-引進國外傑出人才”，國務院政府特殊津貼獲得者。從事研究生教育工作10餘年，已培養畢業博士研究生30餘名，出站博士後6名，曾獲中科院優秀教師獎；作為第1完成人獲得國家自然科學獎二等獎1項、北京市科學技術一等獎1項。

Geoffrey A. Ozin

Geoffrey A. Ozin於1965年在英國倫敦國王學院獲得化學學士學位，1967年在牛津大學獲得無機化學博士學位。1967年至1969年間是英國南安普頓大學ICI研究員，1969年至今在加拿大多倫多大學工作，目前擔任校傑出教授（Distinguished University Professor），還被加拿大政府任命為納米化學首席科學家。他同時還是英國皇家學會和倫敦國王學院榮譽教授級研究員，德國卡爾斯魯厄理工學院客座教授，被稱為“納米化學之父”。到目前為止在Nature，Nature Photonic，Advanced Materials，JACS，Angew. Chem. Int. Ed.等國際頂級期刊發表論文717篇，總引用43287次，其中49篇封面文章，H因子100。Ozin教授的榮譽與獎項主要包括，世界技術網絡能源獎（2016年），英國皇家化學會百週年獎（2015年），世界文化理事會阿爾伯特愛因斯坦世界科學獎-納米化學（2011年），英國皇家化學學會納米多孔無機材料獎（2011年）等等。

課題組網頁: http://xhzhang-group.com/；http://nanowizardry.info/

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關鍵字: 張曉宏 蘇州大學 劍橋大學