CuOx/Al2O3催化剂利用太阳光驱动水煤气变换反应达到1.1％光储能效率

来源：X一MOL资讯

煤气化制氢是煤炭资源清洁高效利用的有效途径，但该技术涉及的两个关键步骤——煤的气化和热催化水煤气变换（Water-Gas Shift, WGS）反应面临能耗大的问题，制约了煤气化制氢与其他制氢技术的竞争。自2014 年日本国家物质材料研究所叶金花教授课题组发现VIII族金属纳米粒子具有优越的光热转化性能，可在光照下驱动传统热催化的Sabatier反应，纳米金属及其氧化物先后实现了光驱动一系列传统热催化反应，如CO2加氢还原制CO、光热催化费托合成、光热催化甲醇蒸汽重整等。如WGS反应也能由合适的催化剂通过光驱动实现，将极大节省煤气化制氢的能耗。

近日，天津大学的欧阳述昕研究团队采用CuOx/Al2O3催化剂在汇聚太阳光照射下进行WGS反应，该工艺不需要消耗任何电力或化石能源供热，反而实现了1.1％光储能效率。

在光照下，浸渍法制备的CuO/Al2O3在反应气氛中可原位转变为CuOx/Al2O3（CuOx包含单质Cu和半导体Cu2O）催化剂，相比贵金属基催化剂Au/Al2O3和Pt/Al2O3更加高效，优化活性组分的负载量（19 wt%）可获得最优的催化性能（122 μmol gcat-1 s-1的产氢速率和>95%的CO转化率）；并且，该催化剂表现了良好的稳定性。基于CuOx/Al2O3催化剂体系，论文作者详细研究了该催化剂在光照下的反应机理。CuOx/Al2O3催化剂在紫外、可见和大部分红外光区域表现出优异的光吸收能力，因而通过不同的滤波片组合调控入射光谱可研究不同光谱对光热转化效率及催化性能的影响，结果表明：（1）催化剂实现光热转化主要依靠可见光及红外光；（2）紫外光对催化性能有显著的促进作用。

进一步的原位电子自旋共振谱（in-situ ESR）、固-气异相反应牺牲剂淬灭实验、光致荧光等表征揭示半导体Cu2O在紫外光照射下可实现光催化的WGS反应，其光生电子和空穴对热催化过程中的质子还原和CO氧化有促进作用。此外还发现，光照下，CO氧化造成Cu-Cu2O界面处的氧缺陷的形成而羟基在此处脱氧释放质子这一过程是反应的速控步。该研究启示了光热催化与光催化耦合具有重要意义，能够实现太阳光谱的合理、高效利用，也对新型光催化剂的设计开发提出了新的理念。

相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，论文的通讯作者为天津大学的欧阳述昕副教授（现调动到华中师范大学化学学院），第一作者为天津大学的硕士研究生赵立宽。