水滑石基钴铁合金光热催化CO2加氢制备碳氢化合物

　　化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放是全球变暖的主要原因，与此伴生的一系列环境问题正日益威胁着人类正常的生产生活。光驱动催化转化的方法可以将二氧化碳作为反应物转化为有用的燃料或化工品，不仅能在温和的条件下减缓全球变暖的步伐而且能缓解化石燃料的危机。而寻找一种高效的催化剂是该过程的核心和难点。中国科学院理化技术研究所超分子光化学中心的一个团队设计了一种通过水滑石材料转变得到的催化剂能在仅有光驱动的作用下，将二氧化碳高效地转化为多碳的碳氢化合物，相关的研究成果发表在2018年1月18日的Advanced Materials上。 

　　该研究组通过在不同温度下氢气处理CoFeAl三元水滑石得到了一系列氧化铝负载的不同相态的钴铁催化剂。经过光驱动的CO2加氢测试，发现在650℃氢气处理下的催化剂可以将二氧化碳高效转化为多碳碳氢化合物，选择性达35%，CO2转化率可达78.6%。后续一系列的表征结果表明在650℃氢气处理后的催化剂为无定形的氧化铝负载的钴铁合金，而在较低的温度下形成的含有钴铁氧化物的催化剂则将CO2转化为CH4或CO。进一步地，DFT理论计算证实了相比在钴铁氧化物上，钴铁合金更容易发生C-C的偶联，与实验结果相吻合。 

　　利用北京同步辐射装置对上述系列不同相态的催化剂进行了进一步表征。通过X射线吸收近边分析，随着还原温度从300℃升至650℃，钴和铁均由阳离子态逐渐转变成为金属态，650℃下还原的样品出现了明显的Co0和Fe0的特征吸收。同样的，在X射线吸收拓展边分析中，在还原温度高于600℃后形成了明显的Co-Fe键，象征着CoFe合金的形成。该结论与X射线粉末衍射结果相吻合，进一步坐实了催化剂的结构。 

　　“近期，他们利用CoFe基的光热催化剂首次以光驱动的方式实现了CO2加氢制备C2+碳氢化合物。”“该方法的成本相对其它工艺较低，使得金属合金颗粒可以被用作催化剂。光产生的热效应可以促进CO2的还原反应。”加拿大多伦多大学Geoffrey A. Ozin教授和韩国西江大学Young Soo Kang教授分别在发表于2019年4月1日的Energy & Environmental Science和2019年4月15日的ACS Sustainable Chemistry & Engineering给予本工作足够的认可。 

　　这个研究首次在仅有光驱动的作用下将二氧化碳分子高效转化为多碳碳氢化合物，且反应条件温和，避免了传统催化中高温高压等严苛的反应条件。在该研究中，同步辐射光源给出了直观、有力的表征信息，帮助研究组确认了一系列催化剂的具体组成，为后续的分析鉴定基础。 

　　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, and Tierui Zhang, Alumina-Supported CoFe alloy catalysts derived from layered-double-hydroxide nanosheets for efficient photothermal CO2 hydrogenation to hydrocarbons. Advanced Materials, 2018, 30, 1704663.