近日，廣東省科學院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心）光電功能材料與器件研究團隊研發(fā)了一種高選擇性、高活性的新型催化劑HCN-A。 相關研究近日發(fā)表于《能源與環(huán)境科學》。目前，該團隊正基于HCN-A催化體系設計流動相反應器，推動光催化CO2制乙醛的產業(yè)化應用。
當前，我國明確提出要大力發(fā)展低碳可再生能源產業(yè)，加快可再生能源發(fā)展零碳、負碳技術，減少CO2排放，加強CO2高值化轉化，推動能源低碳轉型。
光催化還原CO2可利用半導體材料，在太陽能的驅動下，將CO2催化轉化為碳氫燃料、高附加價值化學品，這種技術對推動能源低碳轉化和綠色可持續(xù)發(fā)展非常重要。目前多種光催化材料被用來制備C1產物如CO、HCOOH或CH4。
從經濟角度看，將CO2轉化為C2等液體產物將更具價值，但技術層面也更具挑戰(zhàn)性。這是因為CO2還原過程中通過C-C偶聯(lián)生成C2產物涉及到非常復雜的反應步驟和多個反應路徑，尤其是目前能夠高效、高選擇性地生成乙醛的催化體系非常罕見。此外，從CO2還原制乙醛（CH3CHO）的反應中間態(tài)的調控機制尚未有系統(tǒng)研究。
研究人員設計開發(fā)了一種新型局域結晶態(tài)的聚合型氮化碳PCN光催化劑（HCN-A），HCN-A具有局域晶態(tài)結構和優(yōu)異的光催化還原CO2性能，能在常溫常壓下高選擇性（98.3%）將CO2光催化還原成CH3CHO，產率高達1814.7μmolh-1g-1，385nm和420nm光激發(fā)下的量子效率分別為22.4%和13.3%，是目前光催化CO2產乙醛的最高紀錄。
結合原位紅外光譜技術、同位素示蹤技術、原位電子順磁共振技術以及基于第一性原理的理論計算等手段對其反應機理及中間態(tài)進行分析。原位紅外測試表明，HCN-A在光照下會生成CO2還原制CH3CHO反應中的關鍵中間體*OCCHO。與未改性的HCN不同，HCN-A表面沒有發(fā)現(xiàn)*CH2O中間體，因此HCN-A催化體系不產生甲醛副產物。
進一步的DFT理論計算分析表明，在HCN-A表面*CHO和*CO經C-C偶聯(lián)生成*OCCHO是一個自發(fā)的放熱過程，這是HCN-A還原CO2生成CH3CHO具有高選擇性的重要原因。
該研究成果——HCN-A新型催化劑，可直接利用太陽能將CO2高效轉化為乙醛，并采用原位紅外分析技術表征了催化過程的中間態(tài)，揭示了反應過程新機理。
