科學(xué)家研發(fā)高熵合金納米顆粒，尺寸在3.5納米左右，能模擬太陽光條件下的二氧化碳還原

發(fā)布日期：2024-05-20 瀏覽次數(shù)：3020

近日，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所翁波研究員和合作者，制備了一種高熵合金納米顆粒。它的尺寸在3.5納米左右，含有五種過渡金屬元素（Fe、Co、Ni、Cu 和 Mn）。

當(dāng)將高熵合金材料作為助催化劑，負(fù)載到二氧化鈦半導(dǎo)體載體上之后，可以得到一種復(fù)合光催化劑，并能用于模擬太陽光條件下的二氧化碳還原。
研究結(jié)果表明：高熵合金的引入可以顯著提高二氧化鈦光催化二氧化碳還原活性。

在光催化二氧化碳還原反應(yīng)中，具有最優(yōu)高熵合金添加比例修飾的二氧化鈦復(fù)合材料，能讓一氧化碳和甲烷的生成速率分別達(dá)到235.2μmolg-1h-1和19.9μmolg-1h-1。

這一活性比單獨使用二氧化鈦時高出23倍，也是迄今為止非貴金屬納米顆粒改性二氧化鈦光催化劑中報道的最高值。
同時，相比一些貴金屬修飾的二氧化鈦光催化材料的性能，高熵合金材料帶來的催化性能基本可以和前者媲美。

審稿人直言：“本次成果的效率代表著該領(lǐng)域的最高水平。”

與此同時，二氧化鈦復(fù)合材料可以實現(xiàn)長達(dá)36小時的運行，并且仍能保持持續(xù)的高活性，這充分證明了該材料的高穩(wěn)定性。
此外，課題組還利用高能X射線對材料進(jìn)行輻射穩(wěn)定性測試。
結(jié)果表明：即使在12keV的高能輻射下，高熵合金材料的結(jié)構(gòu)能保持完好無損，這說明它能在極端條件下維持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，從而能夠“長期服役”。
總的來說，本次高熵合金材料在太陽能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為開發(fā)廉價高效的光催化二氧化碳還原催化劑、以及實現(xiàn)溫室氣體減排和碳資源循環(huán)利用提供了重要技術(shù)支撐。
針對該成果未來的實際應(yīng)用前景，翁波認(rèn)為目前純光催化的整體效率仍然較低，而本次成果現(xiàn)在最有希望的應(yīng)用場景在光熱二氧化碳加氫及光熱VOCs（Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機化合物。）去除等光輔助催化技術(shù)體系中。

光催化 CO2 還原的重要意義及為什么選擇高熵合金材料?

據(jù)了解，在自然界的碳循環(huán)中，光合作用中二氧化碳的還原，可以平衡細(xì)胞呼吸中碳的氧化。然而，人類工業(yè)代謝中的碳還原，仍然是缺失的一部分。
這種不平衡會導(dǎo)致全球氣候變暖，引發(fā)極端天氣事件。在“雙碳”背景之下，以太陽能為主要能源光催化二氧化碳還原，作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ呢?fù)碳技術(shù)備受關(guān)注。
憑借這一技術(shù)，二氧化碳能被催化轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品，因此是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和碳資源循環(huán)利用的重要途徑之一。
為了能夠利用太陽光來驅(qū)動二氧化碳還原反應(yīng)，通常人們會采用半導(dǎo)體材料例如二氧化鈦來作為光催化劑。
二氧化鈦可以吸收太陽光從而產(chǎn)生光生電子空穴對。光生電子具有還原性，可以把二氧化碳還原為一氧化碳或甲烷，這些都是很好的化工燃料，也是較為初級的化工品。
但是，對于單一的二氧化鈦光催化材料來說，它只能吸收太陽光中的紫外光部分，對太陽光的利用率不高。
而且，它本身產(chǎn)生的電子空穴對，很容易發(fā)生復(fù)合，從而導(dǎo)致光催化二氧化碳還原效率低下，一氧化碳或甲烷等產(chǎn)物的產(chǎn)量較低。
這些因素共同阻礙了二氧化碳向燃料和化學(xué)品的高效轉(zhuǎn)化，讓太陽能驅(qū)動的化學(xué)能轉(zhuǎn)換可行性遭到限制。
因此，如何提高半導(dǎo)體光催化材料對于光的吸收性能，并能抑制所產(chǎn)生的光生電子空穴的復(fù)合，從而提高二氧化碳的光催化轉(zhuǎn)化效率，一直是領(lǐng)域之內(nèi)的研究熱點。
此前，不少研究報道表明：在二氧化鈦等半導(dǎo)體材料表面引入金屬納米顆粒來作為助催化劑，能夠作為光生電子的收集器，從而促進(jìn)光生電子-空穴對的分離和轉(zhuǎn)移，進(jìn)而有效地克服電子-空穴對的復(fù)合。
此外，所引入的大量金屬納米顆粒，還能作為二氧化碳反應(yīng)的活性位點，從而增強表面反應(yīng)速率。
通常，將金屬助催化劑的尺寸減小到納米尺度甚至更小可以有效提高助催化劑的原子利用效率，增加活性反應(yīng)位點的數(shù)量，進(jìn)而提升光催化活性。
特別是直徑小于5納米的超小型納米粒子，其通常具有較高的催化活性。原因在于這些超小的金屬納米顆粒，具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，例如量子尺寸效應(yīng)、表面幾何效應(yīng)以及超高的比表面積等。
但是，這些超小的金屬納米顆粒也具有更大的表面能和熱力學(xué)不穩(wěn)定性。
因此，在材料合成以及光催化反應(yīng)過程中，會傾向于團(tuán)聚成更大的納米顆粒，從而導(dǎo)致光催化反應(yīng)活性的降低甚至徹底失活。
總的來說，助催化劑材料的穩(wěn)定性問題，讓設(shè)計高效的光催化二氧化碳反應(yīng)體系遇到了極大限制。
近年來，高熵合金材料受到學(xué)界的廣泛關(guān)注。這種材料通常包含五種以上元素，每種元素的原子分?jǐn)?shù)在5%到35%之間，各元素原子隨機占據(jù)一個晶格點位。
由于具有較高的混合熵、以及較低的吉布斯自由能，這讓高熵合金材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。
結(jié)合高熵合金材料的特點、以及當(dāng)前光催化材料設(shè)計的瓶頸問題，該團(tuán)隊采用溶劑熱合成的方法，制備了這種高熵合金材料。

始于一次實驗室閑聊

事實上，本次工作始于一次實驗室的閑聊。
當(dāng)時，正在比利時魯汶大學(xué)從事博士后研究的翁波和博士生郭和樂在同一個實驗室做實驗。通過此，翁波了解到郭和樂所在團(tuán)隊正在制備過渡金屬高熵合金材料。
這種材料不僅具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且合成方法也非常簡單。
但是，那時翁波的研究重點還集中在貴金屬 Au、Pd 等納米顆粒的形貌結(jié)構(gòu)設(shè)計。
不過，恰巧翁波遇到了納米顆粒材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題。于是，在這一次閑聊之中倆人立馬碰出了火花。
隨后，翁波就和其他幾位同事展開文獻(xiàn)調(diào)研，摸清了過渡金屬高熵合金材料在光催化領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個領(lǐng)域還是一片藍(lán)海，相關(guān)研究少之又少，特別是將過渡金屬高熵合金材料用于光催化二氧化碳還原領(lǐng)域的研究更是未見報道。
于是，翁波和國外合作導(dǎo)師討論之后，定下了“將過渡金屬高熵合金材料用于光催化二氧化碳還原”的課題。
隨后，翁波開始尋找合適的過渡金屬材料。這時，他和同事根據(jù)光催化二氧化碳還原的反應(yīng)特點，針對不同材料做了理論計算模擬，最后選出最優(yōu)的五個過渡金屬材料——Fe、Co、Ni、Cu 和 Mn。

（來源：Advanced Materials）
它們在元素周期表中是連續(xù)的五個元素，而且 Cu 對于二氧化碳還原反應(yīng)有著特別好的效果。

通過與其他金屬的高熵合金化，對 Cu 的電子結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，就能使其更容易驅(qū)動二氧化碳還原反應(yīng)進(jìn)行，得到相關(guān)產(chǎn)物。
隨后，他們開始著手合成制備，希望制備得到超小型的、尺寸均一、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高熵合金材料。
通過一系列的嘗試，他們發(fā)現(xiàn)水熱法不但簡單、高效，而且所得到的高熵合金材料的尺寸均一。
同時，還能將尺寸控制在5納米以下，非常符合他們對于二氧化碳還原高熵合金材料的預(yù)期。
制備得到高熵合金材料之后，該團(tuán)隊立馬把它修飾到二氧化鈦載體上，并測試其光催化二氧化碳還原活性。
“在活性測試的時候，我們圍著電腦盯著屏幕上的氣相色譜圖，直到出現(xiàn)了非常高的一氧化碳和甲烷產(chǎn)物峰時，大家一個個都非常激動。”翁波說。
而在論文審稿意見的回復(fù)期間，翁波因為工作關(guān)系回到國內(nèi)，暫時沒有制備材料的條件。
“于是需要國外同事制備好樣品寄送回國，來來回回折騰相關(guān)清關(guān)事宜，實驗回復(fù)時間也比較緊迫，當(dāng)時還是讓我有點擔(dān)心的。”他說。
不過，論文還是順利付梓。日前，相關(guān)論文以《非貴金屬高熵合金用于高效光催化二氧化碳還原》（Noble-Metal-Free High-Entropy Alloy Nanoparticles for Efficient Solar-Driven Photocatalytic CO2 Reduction）為題發(fā)在 Advanced Materials。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）
比利時魯汶大學(xué)黃皓瑋博士、福州大學(xué)趙繼武博士、魯汶大學(xué)郭和樂博士生是共同一作。

中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所翁波研究員、福州大學(xué)龍金林教授、魯汶大學(xué)馬丁·B·J·魯爾法斯（Maarten B. J. Roeffaers）擔(dān)任共同通訊作者。

特別提示：本信息由相關(guān)企業(yè)自行提供，真實性未證實，僅供參考。請謹(jǐn)慎采用，風(fēng)險自負(fù)。

[ 市場動態(tài)搜索 ] [ ] [ 告訴好友 ] [ 打印本文 ] [ 關(guān)閉窗口 ]

相關(guān)市場動態(tài)

推薦市場動態(tài)

亚洲精品在线观,日本a免费观看,婷婷开心综合,亚洲男同性视频,免费在线观看成年人视频,91高清国产视频,亚洲免费在线观看av

科學(xué)家研發(fā)高熵合金納米顆粒，尺寸在3.5納米左右，能模擬太陽光條件下的二氧化碳還原

科學(xué)家研發(fā)高熵合金納米顆粒，尺寸在3.5納米左右，能模擬太陽光條件下的二氧化碳還原