新型光催化剂可有效地将二氧化碳转化为甲烷燃料

二氧化碳(CO 2)是引起全球变暖的主要温室气体之一。如果将二氧化碳转化为能量，那么在解决环境问题上将杀死一只鸟，用两只石头杀死两只鸟。由城市大学(CityU)领导的联合研究小组开发了一种新型光催化剂，该催化剂可利用阳光从二氧化碳中选择性，有效地产生甲烷燃料(CH 4)。根据他们的研究，在反应过程的前8小时内，产生的甲烷量几乎增加了一倍。

这项研究由能源与环境学院(SEE)副教授Ng Yun-hau博士与来自澳大利亚，马来西亚和英国的研究人员共同领导。他们的发现最近发表在科学杂志Angewandte Chemie上，标题为“用于选择性光催化将CO 2还原为CH 4的长寿命电荷的金属有机骨架修饰的氧化亚铜纳米线”。

自然启发的光催化

“受自然界中光合作用的启发，现在可以通过我们新设计的太阳能催化剂将二氧化碳有效地转化为甲烷燃料，这将降低碳排放。此外，这种新型催化剂是由铜基材料制成的，该材料丰富且因此负担得起。”

他解释说，使用光催化剂将二氧化碳转化为甲烷在热力学上具有挑战性，因为化学还原过程涉及八个电子的同时转移。一氧化碳对人体有害，在此过程中更常见，因为它只需要转移两个电子即可。

他指出，亚铜氧化物(CU 2 O)，半导体材料，已应用既是光催化剂和电催化剂，以减少二氧化碳转化成其他化学产品，如一氧化碳和甲烷在不同的研究。但是，它在还原过程中面临一些局限性，包括其较差的稳定性和导致形成各种产物阵列的非选择性还原。从混合物中分离和纯化这些产品可能具有很高的挑战性，这对大规模应用构成了技术壁垒。此外，氧化亚铜在短暂照射后很容易腐蚀，并演变成金属铜或氧化铜。

选择性生产纯甲烷

为了克服这些挑战，Ng博士和他的团队通过用铜基金属有机骨架(MOF)包裹氧化亚铜，合成了一种新型的光催化剂。使用这种新的催化剂，该团队可以操纵电子的转移并选择性地产生纯甲烷气体。

他们发现，与不带MOF壳的氧化亚铜相比，带MOF壳的氧化亚铜在可见光照射下稳定地将二氧化碳还原为甲烷，产率几乎提高了一倍。同样，带有MOF外壳的氧化亚铜更耐用，最大二氧化碳吸收量几乎是裸氧化亚铜的7倍。

二氧化碳吸收量增加

该团队用厚度约为300nm的铜基MOF外壳封装了一维(1-D)氧化亚铜纳米线(直径约为400nm)。在氧化亚铜上的MOF保形涂层不会阻止催化剂的光收集。此外，MOF是一种良好的二氧化碳吸附剂。它为二氧化碳的吸附和还原提供了相当大的表面积。由于它紧密地附着在氧化亚铜上，因此在靠近催化活性位点的位置处吸收了更高浓度的二氧化碳，从而加强了二氧化碳与催化剂之间的相互作用。

此外，研究小组发现，MOF的保形涂层可稳定氧化亚铜。照明时氧化亚铜中的激发电荷可以有效地迁移到MOF。以这种方式，避免了可能导致自腐蚀的催化剂内过多的激发电荷积聚，从而延长了催化剂的寿命。

电子停留在MOF中发生化学反应的可能性更高

该论文的第一作者，也是SEE的作者吴昊博士指出了这项研究的重点之一，他说：“通过使用先进的时间分辨光致发光光谱学，我们观察到一旦电子被激发到氧化亚铜的导带，它们将被直接转移到MOF的最低未占据分子轨道(LUMO)并停留在该处，但并没有很快返回到它们的具有较低能量的价带，这产生了长寿命电荷分离状态。因此，留在MOF中的电子有更大的机会发生化学反应。”

扩展了对MOF和金属氧化物之间关系的理解

以前，通常认为改善的光催化活性仅由MOF的反应物浓度效应引起，并且MOF仅用作反应物吸附剂。然而，Ng博士的团队在这项研究中揭示了激发电荷如何在氧化亚铜和MOF之间迁移。他说：“事实证明，MOF在改变反应机理时，在改变反应机理方面起着更重要的作用。” 他指出，这一发现将MOF和金属氧化物之间的关系理解扩展到了常规的物理/化学吸附类型之间，从而促进了电荷分离。

该团队花费了两年多的时间来开发这种有效的二氧化碳转化策略。他们的下一步将是进一步提高甲烷的生产速度，并探索扩大催化剂合成和反应器系统规模的方法。Ng博士总结道：“在将二氧化碳转化为甲烷的整个过程中，我们唯一使用的能源输入就是阳光。我们希望将来，工厂和运输过程中排放的二氧化碳可以'回收'以生产绿色燃料。” 。

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