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光譜技術(shù)突破光催化CO2還原反應(yīng)研究瓶頸

發(fā)布日期：2020-05-21 閱讀量：1043

石油、天然氣以及煤炭等化石燃料是現(xiàn)代工業(yè)最主要的能源來源，占目前全球一次能源需求的80%。化石燃料的利用會(huì)排放大量二氧化碳，引起溫室效應(yīng)，造成全球氣候變暖。而且化石燃料不可再生，隨著人類的持續(xù)開發(fā)，能源危機(jī)已經(jīng)越來越近。面對(duì)這些狀況，除了大力開發(fā)太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源之外，利用光催化還原二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇、一氧化碳等清潔的碳?xì)淙剂弦彩且环N很有前景的策略。
　　光催化CO2還原反應(yīng)研究的重點(diǎn)在于探索和開發(fā)高效的還原催化劑。由于均相催化劑與異相催化劑相比，通常對(duì)光催化CO2還原反應(yīng)具有更高的活性和選擇性，而且均相催化劑具有明晰的催化位點(diǎn)，其催化中心的配位和電子結(jié)構(gòu)易于調(diào)控，因此近年來均相催化劑成為光催化CO2還原反應(yīng)研究的主要方向。
　　雖然目前已經(jīng)有大量關(guān)于均相催化劑應(yīng)用于光催化CO2還原的研究，但是研究者仍然不清楚在反應(yīng)過程中催化劑的配位和電子結(jié)構(gòu)如何動(dòng)態(tài)演化。弄清這一問題的關(guān)鍵在于先進(jìn)的原位、時(shí)間分辨以及具有元素分辨能力的光譜技術(shù)。
　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授和高超副教授研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院高能物理研究所陶冶研究員課題組、北京師范大學(xué)張文凱教授課題組合作，成功突破了這一瓶頸，揭示了均相光催化CO2還原整個(gè)反應(yīng)途徑。研究團(tuán)隊(duì)利用原位pump-probe時(shí)間分辨同步輻射X射線吸收譜及瞬態(tài)吸收光譜，以三聯(lián)吡啶鎳(II)配合物為模型催化劑，成功捕捉到光催化CO2還原過程中催化位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化和電荷轉(zhuǎn)移過程，推動(dòng)了對(duì)于高效均相光催化CO2還原反應(yīng)機(jī)理的理解，為設(shè)計(jì)和開發(fā)先進(jìn)光催化體系提供了指導(dǎo)。
　　時(shí)間分辨同步輻射X射線吸收譜(TR-XAS)在這項(xiàng)研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。X射線吸收譜由于元素選擇性的探測特點(diǎn)，可以針對(duì)催化劑、光敏劑中的金屬離子的價(jià)態(tài)、配位結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。基于激光pump-X光probe的時(shí)間分辨X射線吸收譜(TR-XAS)，則進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、原位下的空間和電子結(jié)構(gòu)變化探測，獲取催化劑過渡態(tài)、光敏劑激發(fā)態(tài)等中間體的價(jià)態(tài)變化、配位結(jié)構(gòu)變化信息。本次研究的成功也進(jìn)一步推動(dòng)了X射線時(shí)間分辨方法發(fā)展和應(yīng)用。
來源：化工儀器網(wǎng)