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气相-固相条件下用于稀释CO₂还原的人工光合系统
摘要:
通过整合富CO₂离子液体与光活性金属有机框架PCN-250-Fe₂M(M=Fe、Co、Ni、Zn、Mn),构建了一种新型主客体光催化剂,用于气相-固相人工光合稀释CO₂还原。[Emim]BF₄(39.3 wt%)@PCN-250-Fe₂Co在纯CO₂氛围中CO₂制CO还原速率达313.34 μmol g⁻¹ h⁻¹,稀释CO₂(15%)中达153.42 μmol g⁻¹ h⁻¹,选择性约100%。放大实验中,在自然光下能显著降低CO₂浓度,显示出工业应用潜力。离子液体不仅利于CO₂富集,还与PCN-250-Fe₂Co中的Co²⁺位点产生协同效应,降低了CO₂制CO决速步的吉布斯能垒。
研
究背景:
1. 行业问题和研究现状:从烟道气中直接捕获并原位转化稀释CO₂极具前景但挑战大,现有光催化剂在纯CO₂中活性高,但在稀释CO₂中活性极低,主要因CO₂吸附缓慢阻碍反应动力学。
2. 本文创新:将富CO₂离子液体与光活性MOFs结合,构建主客体光催化剂,实现气相-固相人工光合稀释CO₂还原,离子液体与MOFs的协同效应提升性能。
实验部分:
1. 合成PCN-250-Fe₂M:通过溶剂热反应,将预制Fe₂M簇、H₄abtc配体和乙酸在DMF中140℃反应2小时,洗涤干燥后得产物。
2. 制备ILs@PCN-250-Fe₂M:将不同量[Emim]BF₄等离子液体分散在乙醇中,加入PCN-250-Fe₂M搅拌24小时,真空干燥后得复合材料。
3. 光催化CO₂还原实验:将催化剂涂覆在玻璃片上,置于反应器中,通入纯CO₂或稀释CO₂,300W氙灯照射,检测气体产物。
分析测试:
1. 结构表征:PCN-250-Fe₂Co的PXRD与模拟一致,[Emim]BF₄@PCN-250-Fe₂Co保留晶体结构;SEM和TEM显示Fe、Co均匀分布,Fe/Co原子比约2:1。
2. 吸附性能:PCN-250-Fe₂Co的BET表面积为960.8 m² g⁻¹,[Emim]BF₄@PCN-250-Fe₂Co降至482.6 m² g⁻¹;CO₂吸附量从46.4 cm³ g⁻¹增至87.3 cm³ g⁻¹。
3. 光学与电化学性能:PCN-250-Fe₂Co带隙1.85 eV,导带-0.56 V,价带1.29 V;[Emim]BF₄@PCN-250-Fe₂Co光电流强度更高,电荷转移更高效。
4. 结果揭示:该复合材料具有良好的CO₂富集能力、光吸收性能和电荷分离效率,主客体协同作用提升催化活性。

总结:
1. 主要研究结果:[Emim]BF₄@PCN-250-Fe₂Co在纯和稀释CO₂中均有高催化活性和选择性,稳定性好,放大实验效果显著。
2. 创新突破:构建主客体协同人工光合系统,实现稀释CO₂高效还原,揭示离子液体与MOFs的协同作用机制。
3. 潜在意义:为烟道气中稀释CO₂的直接捕获和转化提供新思路,具有工业应用潜力。
Artificial photosynthetic system for diluted CO₂ reduction in gas-solid phase
文章作者:Ya Wang, Jian-Xin Wei, Hong-Liang Tang, Lu-Hua Shao, Long-Zhang Dong, Xiao-Yu Chu, Yan-Xia Jiang, Gui-Ling Zhang, Feng-Ming Zhang, Ya-Qian Lan
DOI:10.1038/s41467-024-53066-y
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-53066-y
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