大連化學(xué)物理研究所利用鎧甲催化劑實(shí)現(xiàn)全光譜光熱增強(qiáng)電解水析氧反應(yīng)

 

　　光熱轉(zhuǎn)化是基于光激發(fā)材料電子能級(jí)或振動(dòng)能級(jí)躍遷弛豫中的電聲耦合效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程。利用太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的高溫替代傳統(tǒng)加熱方式來(lái)驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)，對(duì)于降低碳排放、建立綠色催化技術(shù)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)光熱材料難以同時(shí)具備高效光熱轉(zhuǎn)化能力和高催化活性，所以通常需要光熱材料與催化材料的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)光熱催化轉(zhuǎn)化，這限制了對(duì)太陽(yáng)光熱的利用效率。開(kāi)發(fā)兼具高吸光率、高光熱轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)異催化活性的新型光熱催化劑，實(shí)現(xiàn)在催化位點(diǎn)處的全波段太陽(yáng)光高效捕集和光熱轉(zhuǎn)換，是太陽(yáng)能光熱催化高效利用的關(guān)鍵但卻極具挑戰(zhàn)。
 

　　

       鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維催化材料的表界面調(diào)控研究，基于石墨烯封裝金屬納米粒子結(jié)構(gòu)，在國(guó)際上提出“鎧甲催化”概念，并在鎧甲催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和催化性能調(diào)控方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作(Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nat. Nanotechnol.，2016；Energy Environ. Sci.，2016；Adv. Mater.，2017；Adv. Mater.，2019；Energy Environ. Sci.，2020；Adv. Mater.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；The Innovation，2021；Nat. Commun.，2021)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在石墨烯封裝CoNi合金鎧甲催化劑中，金屬-石墨烯電子相互作用可提升石墨烯價(jià)帶和導(dǎo)帶電子態(tài)密度，從而在激發(fā)石墨烯表面催化活性的同時(shí)增強(qiáng)了石墨烯層的光吸收率和光熱轉(zhuǎn)化率。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用鎧甲催化劑作為基本單元組裝成類似“黑體模型”的中空等級(jí)納米籠結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了光在納米籠鎧甲催化劑外表面的吸收，也促進(jìn)了透進(jìn)納米籠內(nèi)光的多重吸收與光熱轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)了全太陽(yáng)光譜98%的吸收率和高達(dá)97%的光熱轉(zhuǎn)換效率。在電解水析氧反應(yīng)中，該催化劑的高效光吸收與光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的表面局域高溫，有效降低了反應(yīng)熱力學(xué)限制并促進(jìn)了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，使得電解水電壓降低超過(guò)240mV，達(dá)到傳統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)整體加熱手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效果。該工作展現(xiàn)了太陽(yáng)光熱轉(zhuǎn)化在促進(jìn)催化反應(yīng)中的重要應(yīng)用潛力，并為設(shè)計(jì)新型高效光熱催化劑提供了新思路。
 

　　相關(guān)研究成果以“Full-Spectrum Light-Harvesting Solar Thermal Electrocatalyst Boosts Oxygen Evolution”為題，于近期發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上，并被選為后封面文章。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃和遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。(文/圖 徐名夏、于良)