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使用太陽能將CO₂轉化為增值化學燃料的光催化是改善全球變暖和能源危機的有吸引力的選擇。在這方面，光熱CO₂催化已成為將CO₂轉化為增值燃料和化學品的有效方式。與傳統的光化學CO₂催化相比，光熱催化利用了整個陽光光譜，將光子轉化為熱。例如，據報道，在沒有額外的外部加熱的情況下，CO₂和H₂就能轉化為CH₄和CO。同樣，用一種商業上可用的Ni催化劑和H₂將CO還原為CH₄也被報道。此外，還觀察到一種由分層雙氫氧化物衍生的CoFe基光熱催化劑產生C₂₊碳氫化合物。人們為提高催化劑的光熱效應付出了巨大努力，以提高日化能轉換效率。盡管最近取得了進展，但需要改進光熱催化劑，以更有效地收集和使用太陽能。

蘇州大學張曉宏教授、何樂教授以及多倫多Geoffrey A. Ozin教授在Nature Energy合作發表最新成果，Greenhouse-inspired supra-photothermal CO₂ catalysis。

在這里，作者設計了一個催化劑結構，可以實現超光熱甲烷化和反向水氣轉移（RWGS）催化。該催化劑由鎳納米晶體和納米硅殼組成，稱為Ni@p-SiO₂，當在陽光下時，光產生帶間電子和帶內電子的非輻射弛豫會加熱鎳納米晶體芯。Ni芯的熱能被納米多孔SiO₂殼的隔熱和紅外屏蔽效應所限制，提供了超光熱效應，這與“溫室效應”的原理類似。Ni@p-SiO₂獲得的微觀局部溫度（T_local）超過了裸鎳納米晶體（Ni-NC）以及二氧化硅-氧化鋁支持的鎳催化劑（Ni/SiO₂·Al₂O₃）幾十度。此外，與Ni-NC和Ni/SiO₂·Al₂O₃相比，外SiO₂殼保護封裝的鎳納米顆粒在反應條件下更耐燒結和焦化。因此，芯殼催化劑可以根據廉價和地球含量豐富的元素，以更快的速度和強大的長期穩定性將CO₂和H₂轉化為有價值的化學品和燃料。

他們未來的研究將側重于研究光對光熱催化反應的影響。此研究提供了對光熱催化劑設計原則的深入了解，是邁向可持續太陽能燃料行業的關鍵一步。

圖文詳情

蘇州大學副校長發Nature Energy

圖1. Ni@p-SiO2-3O的表征

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圖2. 光熱催化性能的提升

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圖3. Ni@p-SiO2-3O中的“溫室效應”

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圖4. 熱穩定性

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圖5. 光熱催化CO₂性能

作者簡介

蘇州大學副校長發Nature Energy

張曉宏，蘇州大學教授、副校長、博士生導師，是國家杰出青年基金獲得者、教育部國家級人才計劃入選者、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家重大研究計劃項目（973）首席科學家、國家基金委創新研究群體項目負責人、科技部“重點領域創新團隊”負責人、英國皇家化學會會士、國務院政府特殊津貼獲得者。從事研究生教育工作20余年，已培養畢業博士研究生40余名，出站博士后6名，曾獲中科院優秀教師獎；獲得國家自然科學二等獎1項（排名1），省部級科學技術一等獎3項。

主要成果和技術貢獻：

在包括Nature Energy、Nature Commun.、Adv. Mater.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.等國際期刊(SCI)發表研究論文400余篇；獲美國和中國專利50余項；報告國際會議論文50余次；撰寫國際專著2部（章）。

文獻信息

Cai, M., Wu, Z., Li, Z. et al. Greenhouse-inspired supra-photothermal CO2 catalysis. Nat Energy (2021).?

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00867-w

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蘇州大學副校長發Nature Energy

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