【成果掠影 & 研究背景】

反向水煤氣變換（RWGS）反應(yīng)是二氧化碳轉(zhuǎn)化制一氧化碳的關(guān)鍵過(guò)程，在化工和能源領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，銅基催化劑在高溫或光熱條件下易發(fā)生不可逆燒結(jié)，導(dǎo)致活性下降，這限制了其實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，光熱催化技術(shù)通過(guò)利用光能降低反應(yīng)活化能，為RWGS反應(yīng)提供了新思路，但催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍是挑戰(zhàn)。

本研究開(kāi)發(fā)了一種基于CuNiMgAl層狀雙氫氧化物（LDH）前驅(qū)體的羥基工程催化劑，通過(guò)熱還原制備出羥基錨定的超細(xì)CuNi雙金屬納米顆粒。該催化劑在光熱RWGS反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越性能：CO產(chǎn)率高達(dá)339.8 mmol g?1 h?1，選擇性達(dá)98%，且穩(wěn)定性優(yōu)異，在280小時(shí)連續(xù)測(cè)試和30天啟停循環(huán)中保持99%以上的初始活性。相比熱催化，光熱性能提升3.5倍。這項(xiàng)工作通過(guò)耦合動(dòng)態(tài)羥基調(diào)控與等離子體激活機(jī)制，為設(shè)計(jì)抗燒結(jié)光熱催化劑提供了新范式。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 采用LDH前驅(qū)體熱還原策略，構(gòu)建羥基富集的載體，實(shí)現(xiàn)CuNi納米顆粒的均勻錨定，有效防止燒結(jié)。

• 引入親氧性Ni摻雜劑，增強(qiáng)CuNi雙金屬的羥基親和力，促進(jìn)羥基配位Cu2?–Ni2?物種的形成，區(qū)別于傳統(tǒng)合金化方法。

• Ni摻雜優(yōu)化Cu的電子結(jié)構(gòu)，提升局域表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)，增強(qiáng)光生熱載流子生成，驅(qū)動(dòng)H?溢出過(guò)程。

• 光熱條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)羥基再生，通過(guò)H?溢出機(jī)制維持表面羥基覆蓋，確保催化活性位點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

• 結(jié)合原位光譜和理論計(jì)算，闡明羧酸鹽路徑為反應(yīng)主導(dǎo)機(jī)制，Ni的引入降低CO?加氫能壘至1.23 eV。

• 催化劑在自然光照射下仍保持高效性能，展示了與實(shí)際可再生能源系統(tǒng)集成的潛力。

Fig. 1: 納米催化劑的合成方法及結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 2: Ni促進(jìn)劑在Cu中的作用及羥基化表面的確定

Fig. 3: CuNi納米催化劑的光熱CO?加氫性能

Fig. 4: 催化機(jī)制的光譜表征

Fig. 5: 羥基補(bǔ)充機(jī)制研究

Fig. 6: 基于DFT計(jì)算的催化機(jī)制分析

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究成功設(shè)計(jì)了一種羥基工程修飾的CuNi雙金屬納米催化劑，通過(guò)Ni摻雜增強(qiáng)羥基錨定效應(yīng)和等離子體激活，實(shí)現(xiàn)了光熱RWGS反應(yīng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。催化劑在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中展現(xiàn)出近乎零衰減的活性，解決了Cu基材料燒結(jié)失活的難題。該工作為光熱催化系統(tǒng)的理性設(shè)計(jì)提供了新視角，強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)表面調(diào)控與光熱協(xié)同的重要性，有望推動(dòng)CO?轉(zhuǎn)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65537-x

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