光热驱动CO2氢化制备高附加值碳烃化合物

　　随着化石能源的大量消耗，温室气体CO2的排放量逐年增加，引起全球气候变暖等日益严峻的环境问题。尽管CO2是一种主要的温室气体，但其同时又是一种丰富的碳源，如何能将其资源化利用是维持可持续发展面临的巨大挑战之一。CO2氢化转化为高附件值化学品是一种高效的转化方式，但是普遍需要高温高压（250~450°C，2~5MPa）来驱动。相比于传统的高温高压热催化转化过程，太阳能光催化技术可在常温常压下直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应，已经成为一种理想的洁净能源生产途径和环境治理新技术而备受瞩目。目前报道的光催化剂在光驱动CO2氢化中只能生成低附加值的C1分子（例如CH4或CO）。所以，寻求高效催化剂用于光驱动CO2氢化制备高附加值碳烃化合物是一项富有挑战性和有意义的工作。中国科学院理化技术研究所超分子光化学研究团队张铁锐研究员课题组及合作者通过可控还原CoFeAl-水滑石（CoFeAl-LDH）纳米片得到无定形三氧化二铝负载CoFe合金催化剂，首次实现在光照条件下高效驱动CO2氢化制备高级碳烃化合物。 

　　图1. CoFeAl-LDH随着还原温度升高的结构演变及光驱动CO2氢化产物分布 

　　北京同步辐射装置（BSRF）X射线吸收谱技术、X-射线衍射，穆斯堡尔谱以及透射电子显微分析等手段证明随着H2还原温度的升高，CoFeAl-LDH纳米片中的Fe和Co先后溢出，形成三种负载型催化剂（FeOx/CoAl-MMO,FeOx-CoOx/Al2O3和CoFe alloy/Al2O3）。三种负载型催化剂在光驱动CO2氢化反应中展现出优异的催化性能，和不同的产物选择性(CO至CH4至C2+)。在还原温度大于等于600°C得到CoFe合金纳米颗粒负载于无定型三氧化二铝载体上（CoFe alloy/Al2O3）。该催化剂在紫外可见光光照2小时后，CO2的转化率可以高达78.6%，高附加值碳烃化合物C2+的选择性可达到35%。此外，该催化剂同时展现出优异的可见光催化活性和催化稳定性。一系列对照试验证实该过程为光热催化过程，密度泛函理论进一步证明CoFe合金更有利于C-C键偶联，进而实现高附加值碳烃化合物的生成。 

　　图2. 利用北京同步辐射装置（BSRF）X射线吸收谱技术证明CoFeAl-LDH随还原温度升高的结构演变 

　　该催化剂合成方法简单，成本低廉，更重要的是，该催化过程采用常压等绿色低能耗工艺，提供了利用非贵金属太阳能驱动合成燃料化学品的可能性。相关研究结果发表在国际材料领域顶级期刊《先进材料》(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201704663)。 

　　发表文章： 

Guangbo Chen, Rui Gao, Yufei Zhao, Zhenhua Li, Geoffrey I. N. Waterhouse, Run Shi, Jiaqing Zhao, Mengtao Zhang, Lu Shang, Guiyang Sheng, Xiangping Zhang, Xiaodong Wen, Li-Zhu Wu, Chen-Ho Tung, Tierui Zhang. Alumina-Supported CoFe Alloy Catalysts Derived from Layered-Double-Hydroxide Nanosheets for Effcient Photothermal CO2 Hydrogenation to Hydrocarbons, Adv. Mater. 2018, 30, 1704663.