化石燃料的日益衰竭, 全球氣候變暖使得低碳經濟變得日益迫切, 人工光和作用CO2還原的方法在提供了清潔可再生能源的同時，也可對工業化生產和汽車尾氣中過剩的CO2進行減排。光催化較電催化，免去了二次能量轉化損失的問題, 是一步直接將太陽能轉化為清潔燃料的更優方案，在工業上擁有更加廣闊的應用前景。
為了在這方面取得進展, 很多課題組開展了這方面的研究。近日，由加拿大滑鐵盧大學吳一民教授和美國阿貢國家實驗室TijanaRajh博士/劉玉資博士研究團隊合作的最新研究工作為進一步解決光催化CO2還原提供了更全面和深入的理解。該工作於2019年11月4日在線發布並將作為封面文章在最新一期Nature Energy上正式發表 。
該工作首次在真實催化條件下(1個大氣壓，光照)，通過整合原位多模式環境透射電子顯微鏡, 原位同步輻射X射線螢光成像，原位電子能量損失譜，原位X射線吸收譜，同步輻射高分辨X射線衍射，以及電子自旋共振譜的表徵，並結合密度泛函理論計算，發現納米顆粒光催化材料Cu2O在其（110）晶面具有活性位點，而其（100）晶面不具有活性位點。（110）晶面在CO2和H2O共吸附時發生了化學重構，活性位點的氧化狀態從一價銅轉變為二價銅，同時也有Cu納米糰簇形成。這些Cu納米糰簇和（110）晶面本身的共同作用得到了高選擇性，高效率的CO2還原制甲醇的催化劑。
圖1. Cu2O光催化劑的結構分析和性能表徵
當CO2轉化完成後，活性位點又在光照下轉變回原本的一價銅。CO2吸附在Cu2O表面時，能夠造成Cu2O晶體結構的膨脹，而H2O吸附能造成Cu2O晶體結構的收縮。這種由於化學吸附造成的靜電場變化, 能夠誘導能帶的變化, 從而導致不同晶面對CO2還原性能的顯著差異.基於這些緊密關聯的實驗證據，該團隊著重強化了晶面活性位點的概念，並且通過控制晶面的生長差異，輸入CO2和H2O，在光照條件下得到甲醇和O2，達到了72%的量子產率，10%的太陽能到燃料能的轉化率。此項工作也取得了美國發明專利 (US20190202762A1)。這種基於晶面活性位點材料設計的方法為工業生產中進行的CO2減排, 減少汽車尾氣, 提供清潔液態燃料, 提供了解決途徑,具有廣泛的應用前景。
圖2. Cu2O單顆粒催化劑原位多模式關聯成像表徵
圖3. 不同工作環境下Cu2O單顆粒原位多模式納米譜學表徵
圖4. 密度泛函計算束縛能
圖5. 多顆粒平均狀態表徵和電荷轉移
作者介紹
吳一民,牛津大學博士，加州伯克利大學博士後，先後供職於美國能源部阿貢國家實驗室和伊利諾伊大學，現任加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)助理教授,博士生導師, 任職於滑鐵盧大學機械工程系和滑鐵盧納米研究所(Waterloo Institutefor Nanotechnology).主要致力於用納米科技解決能源,環境，先進位造,人工智慧等問題,主要方向涉及催化與電池材料, 人工智慧類人腦運算，可穿戴柔性電子設備。長期招收博士，博士後，訪問學生老師，請材料,化學工程, 電子工程, 生物醫學工程, 化學, 物理, 機械工程, 人工智慧等專業背景的學生和老師,發送簡歷到yiminwumse@gmail.com
主頁：https://uwaterloo.ca/mechanical-mechatronics-engineering/profile/y785wu
TijanaRajh博士，貝爾格勒大學博士，美國阿貢國家實驗室資深傑出研究員（Argonne DistinguishFellow），AAAS Fellow, 主要從事光催化方面的研究。
劉玉資博士, 中國科院物理研究所博士, 美國阿貢國家實驗室Scientist,主要從事電鏡表徵方面的工作。
滑鐵盧大學(University ofWaterloo),是世界著名的公立研究型大學, 麥克林雜誌評選的加拿大綜合性大學排名第3位, 加拿大最具有創新力的學校, 是北美地區最優大學之一，QS世界大學排名，其工程學科居世界前50, QS's 2019畢業生就業排行榜, 滑鐵盧大學位列世界第25名. 其位於「加拿大矽谷」地區，毗鄰國際大都市多倫多, 及著名的尼亞加拉大瀑布, 交通方便, 生活便利.
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