第一作者:Linan Zhou通讯作者:Naomi J. Halas、Peter Nordlander、Emily A. Carter通讯单位:莱斯大学、普林斯顿大学研究亮点:1. 制备了一种由纳米铜粒子天线和单分散钌原子位点组成的等离子体光催化剂。2. Cu19.8Ru0.2光催化剂为可持续的低温甲烷重整反应提供了一种新的平台。3. 热载流子在驱动热力学不利反应方面优于声子。
等离子体金属催化剂合成气主要由一氧化碳(CO)和氢(H2)组成,广泛应用于工业生产。这种混合物通常由天然气(CH4)通过与水(H2O)、氧(O2)或二氧化碳(CO2)的重整反应而产生。在这些反应中,甲烷干法重整(CH4+CO2→2CO+2H2)可以将两种温室气体转化为有价值的化学原料,具有绿色环保的优势。然而,甲烷干法重整不仅在动力学和热力学上都是不利的,而且极易发生积炭和催化剂失活。虽然研究人员已经研究了许多MDR催化剂,但目前的方法为了实现较高的反应速率并减缓积碳现象,不可避免地需要高温(700-1000°C)。在过去的十年中,等离子体金属纳米结构作为光催化剂引起了人们越来越多的兴趣,因为它们能够在比传统热催化温和得多的条件下通过光来驱动反应。光和等离子体纳米结构之间的强相互作用提供了光催化转换所需的能量转换。等离子体活性金属纳米颗粒,如金,Ag,Cu和Al已经被证明是许多化学反应的光催化剂,如H2-D2交换反应,CO2还原反应和选择性氧化反应。拟解决的问题或拟探索的内容最近,人们发现将具有等离子体活性的金属“天线”纳米颗粒与具有催化活性的“反应器”材料相结合的复合物可以进一步提高光催化效率、选择性和特异性。在这种结构中,金属“天线”纳米颗粒诱导的局部光场可以有效地将催化剂转化为光催化剂。近年来,已有几种用于MDR的双金属合金等离子体光催化剂(Au-Pd和Au-Pt)被报道了。然而,它们的合金结构似乎限制了它们的性能,因为局部的表面等离子体共振被高负载的Pd或Pt强烈阻尼,降低了光催化活性。这些催化剂的稳定性也受积碳的影响,这可能与纳米颗粒表面的催化活性位点有关。而最近的研究表明,Pt-Cu单原子合金在不发生积碳的情况下也可以提供稳定的烃类活化。成果简介有鉴于此,莱斯大学Naomi J. Halas,Peter Nordlander,普林斯顿大学Emily A. Carter等报道了一种等离激元光催化剂,它由Cu纳米粒子“天线”和在Cu纳米粒子表面的单Ru原子“反应器”位点组成,是低温光驱动甲烷干重整的理想催化剂。实验表明,该光催化剂在室温下照射时可实现高选择性(>99%)和长期稳定性(50 h)。作者认为光激发的热载流子以及单原子活性位点是其高性能的原因。量子力学建模表明,在Cu(111)表面上Ru的单原子掺杂,再加上激发态激活,会导致CH4活化的势垒的大大降低。该光催化剂具有低成本、反应条件温和、高选择性和高活性等优势,为可持续,光驱动,低温甲烷重整反应按需生产氢气提供一种新的平台。
图5. CH4和CH脱氢过程的基态和激发态能量曲线。要点5:光催化的能量效率和反应转化率研究以反应焓的形式将光能转化为化学能的效率,以及光催化下Cu19.8Ru0.2的甲烷转化率。在白光照射下,能量效率随光强的增加而增加,在16 W cm−2以上达到约15%,而光催化反应速率则表现出非线性依赖关系。在12.8 W cm−2的白光照射下进行的光催化,其最高光热诱导表面温度(Ths)接近850 K,在10 l g−1 h−1的空速(SV)下实现了约35%的甲烷转化。相比之下,由于MDR的热力学限制,在850 K温度下的热催化甲烷转化的饱和值仅为~20%。在19.2 W cm−2的白光照射下,Ths在~1000 K时的光催化转化率也高于1000 K时的热催化转化率。聚光太阳能是一种工业上可用的太阳聚焦技术,已应用于光热MDR,但需要高强度的光(>400个太阳),因此需要高温(>1000 K)来实现可行的能源效率和转换。
图6. Cu19.8Ru0.2光催化的能源效率和甲烷转化率。小结一种由纳米铜粒子天线和单分散钌原子位点组成的等离子体光催化剂,提供了高效率、高选择性和抗积碳的低温光催化MDR。计算表明,在Cu表面分离出的Ru原子是最理想的MDR活性位点结构,因为与原始的Cu纳米颗粒相比,其可降低CH4脱氢反应的活性位垒,而不会提高RWGS和积碳形成的速率。热载流子的产生是光催化MDR的主要机制。热载流子提高了Ru位点的C-H活化速率和催化表面的H2解吸速率,这使CO和H2的生成速率的动力学匹配成为可能,从而最小化RWGS和积碳形成的速率,构建一个稳定的、选择性的光催化MDR过程。这项工作进一步证明了热载流子在驱动热力学不利反应方面优于声子,并为低温催化高正反应焓的工业相关反应提供了新的希望。参考文献LinanZhou, Emily A. Carter*, Peter Nordlander,* Naomi J. Halas*, et al. Light-drivenmethane dry reforming with single atomic site antenna-reactor plasmonicphotocatalysts. Nature Energy, 2019.DOI:10.1038/ s41560-019-0517-9https://www.nature.com/articles/s41560-019-0517-9