河北大学叶金花教授和李亚光副研究员团队2月在《ACS Nano》期刊发表关于光热催化CO₂还原的前瞻性评述论文。文章描述了几种重要的纳米材料设计策略，包含增强光吸收，减少热能损耗等，以提高太阳能的吸收和利用率，并阐述了光热催化CO₂加氢的最新进展，同时对光热催化CO₂应用所面临的机遇与挑战提出重要看法。
与光催化或者热催化相比，光热催化CO₂加氢具有其独特的优势：
（1）高的太阳光吸收率优势。光热催化剂是窄带隙或零带隙材料，可以吸收紫外光、可见光和红外光，达到近100%的太阳光吸收，提高了光的利用率；
（2）超高的CO₂转化率优势。目前最先进的光催化CO₂转化速率仅限于 1mmol·g-1·h-1[1]，而光热催化CO₂转化速率超过100 mmol·g-1·h-1[2]。
文中提到光热催化包括两种模式：热辅助光催化模式和光辅助热催化模式。
● 在热辅助光催化模式下，热能来自于光的部分转化或外部辅助加热，使得光催化过程具有较低的活化能垒和增强的载流子/质量迁移率。
● 在光辅助热催化中，反应主要由热能驱动，热能来源于太阳光的光热转换。
为实现高效的光热催化CO₂加氢转化，需要强的宽带太阳能吸收、有效的光热转换、蓄热能力和高催化活性之间协同作用。光热催化CO₂加氢过程中纳米结构材料的设计策略对于构建光热装置、设计制备催化剂及获得最佳光热CO₂加氢性能至关重要。
文章重点综述了三种热辅助光催化过程中纳米催化材料的设计策略：
1、增强太阳光收集的纳米材料表面工程；
2、降低热传导的纳米结构隔热材料；
3、阻热的纳米层。
本文值得一提的是提出了对未来光热催化体系构建的观点及展望：
1、探索提高光热转换效率的策略：使用超薄膜材料可提高材料的太阳照射温度，同时需要大面积薄膜以提高太阳能利用率。由此可见，设计大面积超薄催化材料以及与之匹配的光反应器是提升光热催化性能的重要手段；
2、探索热电子产生的物理原理和弛豫机制，以提高CO₂活化效率；
3、开发储能装置，实现光照条件变化下稳定持久的自驱动光热催化CO₂还原；
4、开发微正压或常压下光热催化CO₂加氢生成高碳产物的体系；
5、探索低成本氢能制备策略；
6、探索高效稳定的逆水气转换（RWGS）催化剂，以扩大RWGS反应的大规模应用。
最后作者对光热催化装置的设计也提出了自己的构想。作者认为压力、光照以及温度是光热催化装置设计需要考虑的核心要素。
● 压力
由于目前CO₂加氢还原的产物多集中于低碳产物，想要获得高碳产物需要对反应体系进行加压。为提高CO₂转化效率的提高和高附加值高碳产物，一款可以持续提供稳定高压反应气的光热催化反应器至关重要。
PLR-RP系列光热催化反应评价装置可提供高温高压反应条件，目前有五个版本可供选择：
● 光照
由于光照强度、光照面积和催化剂负载量对反应结果有较大影响，因此使用一个标准的反应器对这些反应条件变量进行标记可提高不同文献之间数据的可比性，从而更好地筛选出具潜力的光热催化材料。
PLR-RP系列光热催化反应评价装置采用石英导光柱和石英反应器结构，在保证光输入效率的同时，有效地提高催化剂的受光面积，并通过仿真模拟计算固定石英导光柱与催化剂的相对位置，以获得最大的光照效率 。
创新的环照式反应器还严格将催化剂床层的厚度限制在3 mm，这样既能保证催化剂的有效光照，增大催化剂的受光面积，提高催化剂对光的利用率，又可以根据装填高度计算出催化剂的受光面积以及装填量，保证实验的可重复性。
● 温度
在光可以被完全吸收的前提下，减少热能损失是光热催化中提高光利用效率的关键途径。
PLR-RP系列光热催化反应评价装置的预热-伴热模块能够有效减小催化剂与反应体系之间的温度梯度，以此降低光热催化反应中的热能损失，同时具备双热电偶测温装置，可实时监测反应器外部温度和反应催化剂表面温度，掌握反应过程中的温度变化动态。
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文章信息
Cuncai Lv, Yaguang Li*, Jinhua Ye*, et al. Nanostructured Materials for Photothermal Carbon Dioxide Hydrogenation: Regulating Solar Utilization and Catalytic Performance [J]. ACS Nano, 2023, 17(3): 1725-1738.
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c09025
参考文献
[1] Meng X, Zuo G, Zong P, et al. A rapidly room-temperature-synthesized Cd/ZnS:Cu nanocrystal photocatalyst for highly efficient solar-light-powered CO₂ reduction [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2018, 237: 68-73.
[2] Chen Y, Zhang Y, Fan G, et al. Cooperative catalysis coupling photo-/photothermal effect to drive Sabatier reaction with unprecedented conversion and selectivity [J]. Joule, 2021, 5(12): 3235-3251.
