​KAUST/物构所JACS:引入Ni原子，促进In2O3@Ni选择性光热催化CO2转化为CH4

光热CO2甲烷化是实现净零排放目标的一个重要研究途径，在制定碳中和、氢利用、碳循环和化学能储存策略方面发挥着关键作用。Ni催化剂以其优异的催化活性和稳定性在CO2加氢方面引起了广泛的关注。但是，鉴定Ni基催化剂中各种产物的特定活性中心仍然具有挑战性，因为Ni物种的配位结构错综复杂。这些催化剂，拥有属性不规则的形态、不同的颗粒大小、不均匀的聚集体和在边缘、台阶和角落的不饱和原子，提供多个活性位点，导致竞争中间反应和形成多个产物，降低了CO2加氢的速率和选择性。为了克服这些挑战，确保反应位点的精确性和一致性至关重要。 具有明确活性中心的单原子催化剂为在原子尺度上探索精确的结构-活性关系提供了一个理想的平台。近日，阿卜杜拉国王科技大学张华彬、Jorge Gascon和中国科学院福建物构所李巧红等将均匀分散的单原子Ni中心锚定在In2O3表面上(In2O3@Ni)，该催化剂具有明确的配位结构，用于高选择性催化CO2加氢制CH4。实验结果表明，In2O3@Ni催化剂表现出优异的催化活性，其在模拟光热条件下催化CO2加氢生成CH4的选择性高达99%，加氢速率达到1043 μmol g−1 h−1，这种CH4的生产速率是光催化的200倍和热催化的6倍。此外，在连续进行光热催化反应80小时后，该催化剂仍表现出良好的活性，且反应后样品表面没有Ni聚集引起的团簇或颗粒。 CO-TPD和密度泛函理论(DFT)计算结果显示，在In2O3@Ni催化剂中引入Ni原子有助于光生电子向CO2的转移；同时，Ni的引入增强了对CO*的吸附和降低了COH*中间体的形成能垒；此外，In2O3@Ni催化剂可以加速H2解离生成H，为CO2加氢提供更多的质子，从而提高CO2-CH4的选择性。 总的来说，该项工作证实了单原子催化剂有助于揭示结构-活性关系，并且该研究报道的策略可以指导新型单原子催化剂的设计和开发，应用于绿色能源和环境领域。 Isolated Ni atoms enable near-unity CH4 selectivity for photothermal CO2 hydrogenation. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c05873