利用选择性光吸收剂建立光热催化体系

诸平

据物理学家组织网（Phys.org）2019年6月11日报道，河北大学物理与技术学院低维能量转换材料与器件研究团队的李亚光（Yaguang Li）博士等人和浙江师范大学、华北理工大学（North China University of Science and Technology）、天津大学以及日本国立物质材料研究所（National Institute for Materials Science, NIMS）、日本北海道大学（Hokkaido University）等单位合作，在光热催化领域取得重要进展，使用了一种选择性吸光体，构建了一个光热系统，在弱太阳辐射(1kW/m2)下可产生高达288℃的温度，其温度是传统光催化系统的三倍。此项研究成果于2019年5月29日在国际权威期刊《Nature Communications》网站上发表，河北大学为第一单位，李亚光博士为该论文的第一作者和主要通讯作者——Yaguang Li, Jianchao Hao, Hui Song, Fengyu Zhang, Xianhua Bai, Xianguang Meng, Hongyuan Zhang, Shufang Wang, Yong Hu, Jinhua Ye. Selective light absorber-assisted single nickel atom catalysts for ambient sunlight-driven CO2 methanation. Nature Communications, 2019, 10, Article number: 2359. DOI: 10.1038/s41467-019-10304-y. | Published: 29 May 2019.（点击链接可以直接浏览原文）

太阳能光热驱动CO2转化为甲烷研究对于解决日益严重的能源危机和环境问题具有重要意义。目前该方向的研究主要集中在制备强吸光材料，以提升光捕获能力、产生足够高的温度推动催化进行。但这些吸光材料在标准太阳光辐照下也只能获得最高90 °C的温度，不能推动光热CO2甲烷化进行。李亚光博士等人认为吸光材料在弱光辐照下获得高温的关键是降低热耗散，同时分析发现热辐射是吸光材料热耗散的主要途径。在该项工作中，他们提出利用选择性吸光材料吸收太阳光，该材料可以吸收95%的太阳光，热辐射仅为报道吸光材料的1/10，能够在标准太阳光辐照下产生288 °C的高温，是传统吸光材料的3倍多，实现了标准太阳光驱动下的CO2甲烷化光热催化。此外，他们制备了非晶Y2O3二维纳米片负载单原子镍结构，作为高效甲烷化催化剂。在选择性吸光材料光热系统和非晶Y2O3二维纳米片负载单原子镍的协同作用下，实现了室外太阳光（0.52到0.7个标准太阳光强度）辐照的高效CO2甲烷化，其转化效率为80%，甲烷产率为7.5 L/m2 ·h。

河北大学物理与技术学院低维能量转换材料与器件研究团队主要从事低维光-热-电能量转换材料与器件的理论设计、可控制备与性能调控研究。近3年在相关领域取得一系列研究进展，研究结果相继发表在Nat. Commun.(IF=12.353)、 Adv. Mater. Funct.(IF=13.325)、Adv. Science(IF=12.441)、Nano Energy(IF=13.12)、Appl. Cata. B-Environ.(IF =11.698)、Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.等著名学术期刊上。李亚光等人5月底发表的研究工作得到了国家自然科学基金（51702078, 21633004）、河北省优秀青年基金（A2016201176），河北大学优秀博士计划（YB201502）等项目和上海同步辐射光源（BL14W1线站）的大力支持。

李亚光(Yaguang Li)告诉Phys.org： “我们最初的目标是实现户外阳光驱动的光热催化，但太阳能转换为热能效率太低，因此，我们确定了在环境阳光照射下提高光热材料温度的研究方向。”

目前，光热材料的吸光能力已接近极限。此外，由于现有光热系统在辐照后的温度一般低于80℃，且大量的太阳能被散射，因此不可能实现环境光驱动的CO2甲烷化。为了解决这个问题，李博士和他的同事们开始着手减少光热材料的散热，以达到更大的热能集中在它们内部，从而提高其自身的温度。当他们与该领域的其他研究人员讨论他们的想法时，他们意识到热辐射是光热材料散热的决定因素。但是，由于所有光热材料的热辐射都类似于黑体辐射，其热辐射是无法降低的。

李亚光(Yaguang Li)博士说：“我们注意到选择性光吸收的概念（the concept of selective light absorption），这并非是个新概念，它是一个经典的概念，最早由Cabot在20世纪40年代提出，”。1955年，Shaffer等人发表了选择性吸光涂料的基本理论和设计（published the basic theory and design of selective light absorption coatings）。随后，这种选择性吸光器开始批量生产，应用于太阳能热水器等领域。然而，没有人把这个概念引入光热催化，所以我们决定进行尝试。我们尝试的结果发现，它可引产生一种神奇的效果——光热催化仅仅通过户外阳光辐射就能实现。”

在李亚光等人的实验中，研究人员使用一个简单的工业选择性光吸收器来构建一个光热催化反应器。这个简单的仪器使光热催化从强光照射到弱光照射的应用成为可能。换句话说，该仪器大大扩展了光热催化的可能应用范围。

李亚光和他的同事利用这种光吸收器创造了一个光热系统，可以产生非常高的温度。他们还合成了含有单个镍原子(SA Ni/Y2O3)的超薄非晶态Y2O3纳米薄片，发现它们具有明显的CO2甲烷化活性。采用选择性吸光剂，在阳光照射下，CO2的转化效率可达80%，CH4的产率可达7.5 L/m2 ·h。

“在这项工作中，我们实际上只使用了经典理论和成熟的分解产品，”李亚光解释说，“我认为这项研究对当代科学的最大意义在于，它鼓励研究人员开阔视野，加强与业界的沟通，必将导致科学应用的巨大进步。”

在未来，李亚光和他的同事们提出的系统可能会有有趣的应用，例如作为一个平台，直接利用分散的太阳能，有效地将二氧化碳转化为有价值的化学物质。目前，研究人员正计划进一步改进他们研究中使用的光热反应器，开发更适合于光热催化的新型催化剂，并推动他们提出的系统的工业化。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Artificial converters of solar energy https://www.jstor.org/stable/27824738?seq=1/analyze

L.H. Shaffer. Wavelength-dependent (selective) processes for the utilization of solar energy, Solar Energy (2003). DOI: 10.1016/0038-092X(58)90050-1

Abstract

Ambient sunlight-driven CO₂ methanation cannot be realized due to the temperature being less than 80 °C upon irradiation with dispersed solar energy. In this work, a selective light absorber was used to construct a photothermal system to generate a high temperature (up to 288 °C) under weak solar irradiation (1 kW m⁻²), and this temperature is three times higher than that in traditional photothermal catalysis systems. Moreover, ultrathin amorphous Y₂O₃ nanosheets with confined single nickel atoms (SA Ni/Y₂O₃) were synthesized, and they exhibited superior CO₂ methanation activity. As a result, 80% CO₂ conversion efficiency and a CH₄ production rate of 7.5 L m⁻² h⁻¹ were achieved through SA Ni/Y₂O₃ under solar irradiation (from 0.52 to 0.7 kW m⁻²) when assisted by a selective light absorber, demonstrating that this system can serve as a platform for directly harnessing dispersed solar energy to convert CO₂ to valuable chemicals.