弱太陽(yáng)輻射下的太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換一般難以滿足二氧化碳（CO₂）減排的熱量需求。基于此，桂林理工大學(xué)解慶林教授，華中師范大學(xué)郭彥炳教授，華南理工大學(xué)葉代啟教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種新型聚光太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)光熱系統(tǒng)，將雙金屬單原子催化劑（DSAC）與相鄰的Ni-N₄和Fe-N₄結(jié)合，用于模擬太陽(yáng)光照射下甚至環(huán)境陽(yáng)光下H₂O促進(jìn)氣固CO₂還原。

實(shí)驗(yàn)和表征結(jié)果表明，(Ni, Fe)N-C DSAC中相鄰的Ni-N₄和Fe-N₄配位結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用具有顯著的CO₂還原活性，在模擬太陽(yáng)輻射（49.0 mW cm^-2）條件下，具有較高的CO（86.16 μmol g^-1 h^-1）、CH₄（135.35 μmol g^-1 h^-1）和CH₃OH（59.81 μmol g^-1 h^-1）生成率，并產(chǎn)生一定量的H₂、O₂、乙醛和乙醇。

DFT計(jì)算表明，Ni原子的引入通過Ni-N-N-Fe構(gòu)型的雜化效應(yīng)調(diào)節(jié)了Fe原子的電子結(jié)構(gòu)，提高了Fe的費(fèi)米能級(jí)，優(yōu)化了Fe的d帶中心。同時(shí)，原位DRIFTS和DFT計(jì)算表明，(Ni, Fe)N-C DSAC上CO₂光熱還原為CO的反應(yīng)機(jī)理可同時(shí)遵循COOH和HCO₃兩條可能的路徑。

通過N-橋接的Ni-N-N-Fe構(gòu)型，Ni和Fe原子之間適當(dāng)?shù)目臻g距離有利于主要的*COOH和*HCO₃解離過程，從而選擇性生成初始的CO。隨后，*CO中間體加氫生成CH₃OH和CH₄產(chǎn)物。這項(xiàng)工作可能有助于通過無人工能量輸入的光熱催化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境太陽(yáng)光的有效應(yīng)用。

Non-interacted Ni and Fe Dual-atom Pair Sites in N-doped Carbon Catalysts for Efficient Concentrating Solar-driven Photothermal CO₂ reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202313868.

https://doi.org/10.1002/anie.202313868.