【MIL-100(Fe)碳化材料】通过铁基MOF材料衍生催化剂在光热条件下实现低温氨分解

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摘要：
本文提出一种铁基金属有机框架衍生催化剂，可高效进行光热氨分解。在光照射且无外部加热的最佳条件下，氨转化率达55%。机理研究表明，光诱导热载流子与照射时的高温协同作用提升催化活性。密度泛函理论计算揭示，低温时Fe₃O₄相光生电子提高反应中间体能量，高温时金属Fe为主要活性相，热贡献占优。该研究增进了对光热系统中光热协同效应的理解，为可持续能源转化应用奠定基础。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：全球能源短缺与环境恶化促使开发可再生能源，光催化存在反应速率低等问题。光热催化结合热化学与光化学，但对其热和非热贡献的理解有限，氨分解常用的钌催化剂因稀缺昂贵受限，铁基催化剂光催化性能研究少。
2. 本文创新：制备MOF衍生铁基催化剂（Fe@C），无需外部加热实现高氨转化率；揭示光诱导热载流子与高温的协同作用及催化剂双相作用机制。

实验部分：
1. 催化剂制备：Fe@C由Basolite F300在N₂氛围600℃热解6小时制得，K、Ba、Cs等碱金属通过浸渍法负载，优化得2wt% K促进的Fe@C。
2. 催化性能测试：在Harrick反应室，用300W Xe灯照射，测试不同空速下的氨分解性能，1000 mL·g⁻¹·h⁻¹时空速下转化率达55%。
3. 机理探究：通过暗态与光热条件对比、光强度影响、间接光照实验及DFT计算研究反应机制。

分析测试：
1. 物理化学表征：Fe@C含Fe₃O₄、θ-Fe₃C和金属Fe，Fe含量≈42wt%，比表面积273 m²·g⁻¹，Raman光谱I_G/I_D=1.3，UV-vis-NIR显示宽光谱吸收。
2. 催化性能数据：光热条件活化能81.7 kJ·mol⁻¹，低于热条件的176.5 kJ·mol⁻¹；303K时CO₂扩散系数10.5×10⁻¹⁰ m²/s，CO为11.5×10⁻¹⁰ m²/s。
3. 机理揭示：低温下Fe₃O₄光生电子降低能垒，高温下金属Fe起主导作用，光热协同提升活性。

总结：
1. 主要研究结果：MOF衍生Fe@C催化剂在光热条件下高效分解氨，揭示双相作用机制。
2. 创新突破：实现无外部加热的高效氨分解，阐明光热协同及催化剂双相作用机理。
3. 潜在意义：为低成本氨分解制氢提供新思路，推动可持续能源转化技术发展。

Unlocking Low‐Temperature Ammonia Decomposition via an Iron Metal Organic Framework‐Derived Catalyst Under Photo-Thermal Conditions
文章作者：Angel Sousa, Diego Mateo, Luis Garzon-Tovar, Kevin Brennan, Alejandra Rendón-Patiño, Natalia Morlanés, Xinhuilan Wang, Juan C. Navarro, Javier Ruiz-Martinez, Max García-Melchor, Jorge Gascon
DOI：10.1002/smll.202411468
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411468

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