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莱斯大学纳米光子学实验室主任Naomi Halas长期致力于光激活纳米材料的研究。
《自然·能源》杂志报道，美国莱斯大学（RU）、加州大学洛杉矶分校（UCLA）和加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人员成功制造了一种光动力纳米颗粒，它可以减少化学工业的碳足迹。
这种微粒是一种“点缀”着单个钌原子的微小铜球，是合成气（syngas）绿色工艺的关键组分。合成气是一种具有重要价值的化学原料，主要由一氧化碳和氢气组成，可用于制造燃料、化肥等多种化工产品。BCC Research在2017年的分析报告显示，全球生产合成气的工厂已有数百家，合成气衍生产品的价值已超过460亿美元。RU研究人员Naomi Halas说：“制备合成气的方法很多，其中甲烷干式重整法已变得越来越重要。该方法使用的原料是两种强效的温室气体——甲烷和二氧化碳。”
催化剂是促进化学物质反应效果的材料。气化厂通常使用蒸汽和催化剂分解碳氢化合物。氢原子配对形成氢气，碳原子和氧原子结合形成一氧化碳。在干式重整法中，氧原子来自二氧化碳，而非蒸汽。论文作者、RU纳米光子学实验室（LANP）博士后研究员Linan Zhou解释说：“然而，干式转化法对工业领域的吸引力很低，它比蒸汽转化法需求的温度和能量高得多。”
多年来，Halas长期致力于光激活纳米粒子的研究，旨在将能量精确注入化学反应中。2011年，Halas团队证实光动力纳米粒子可以增加光照射金属时产生的短寿命高能电子——“热载流子”的数量。2016年，Halas等展示了第一批使用热载流子驱动催化反应的“天线反应器”。其中一种铜-钌天线反应器，可利用氨制造氢。Zhou介绍道，干式重整合成气催化剂使用了类似设计，但他们需要将钌原子数目缩减到一个。他说：“高效率对反应固然重要，但稳定性更加重要。如果你告诉业内人士‘我有一种非常有效的催化剂’。他们往往会反问你‘这种催化剂的寿命是多长？’。”这个问题对生产商来讲非常重要，大多数气化反应催化剂都很容易因为积碳效应而失活。Zhou说：“他们不可能每天都去更换催化剂。对厂家而言，催化剂寿命当然是越长越好。”
Zhou等通过分离碳氢分离的活性钌位点，降低了碳原子相互反应生成焦炭的几率，并提高了它们与氧反应形成一氧化碳的可能性。然而，想提高稳定性，单靠单个钌原子还是不够的。Zhou等继续加入了热电子。根据实验结果和理论分析，研究人员认为，热电子会迫使氢原子离开反应器表面。而当氢原子离开时，它更有可能形成氢分子。此外，热电子还可以降低氢和氧反应的可能性，转而让氧与碳发生反应。这就是热电子控制能抑制催化剂积碳的原因。Halas认为，该研究有望为“可持续、光驱动、低温甲烷转化反应奠定基础”。她说：“除合成气之外，单原子天线反应器的设计还可以为其他节能型催化剂所借鉴。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：唐林芳
期刊来源：《自然·能源》
期刊编号：2058-7546
原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/ru-ggg011020.php
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