研 究 背 景

随着“双碳”目标持续推进，集成CO₂碳捕集与利用技术（ICCU）因可在同一反应器中实现CO₂吸附与原位转化受到广泛关注。其中，CaO基双功能材料因兼具CO₂吸附与甲烷干重整（DRM）活性而备受关注，但传统双功能材料存在CO₂活化能力不足、活性位协同较弱以及高温循环下易积碳烧结等问题。同时，材料制备通常依赖高成本化学原料，限制了实际应用前景。因此，开发兼具高活性、高稳定性及低成本的废弃物基双功能材料具有重要意义。

研 究 亮 点

1. 利用垃圾焚烧底灰构筑低成本双功能材料，实现固废资源化与高效ICCU协同。优化后的BC–NiMn材料在675°C下CH₄与CO₂转化率分别达到95.9%和92.7%，表现出优异循环稳定性。

2. 构建Fe–Mn异质结，驱动电子由Fe向Mn迁移，形成富电子Mn位点，提高CO₂吸附与活化能力。

3. Fe–Mn界面电子重构促进氧空位形成，增强CO₂扩散及反应中间体转化能力，强化抗积碳性能。

成 果 介 绍

本工作以Fe–Mn异质结电子结构调控为切入点，利用垃圾焚烧底灰提取CaO并构筑废弃物基双功能材料，实现CO₂捕集与原位甲烷干重整协同强化。结果发现，Fe–Mn异质结能够驱动电子由Fe向Mn定向迁移，形成富电子Mn位点与丰富氧空位，在增强CO₂吸附活化能力的同时促进氧物种迁移与积碳清除。

在ICCU性能方面，优化后的BC–NiMn材料在675°C下实现CH₄与CO₂转化率分别达到95.9%和92.7%，H₂/CO比接近1，并在10次循环过程中保持稳定。相比未掺杂材料，积碳量降低83%，表现出优异的抗积碳能力与循环稳定性。适量Mn负载有利于形成高密度Fe–Mn异质结并促进Ni活性位暴露，而过量Mn则会发生团聚并覆盖Ni位点，导致活性下降。

结合XPS、Mott–Schottky、原位DRIFTS及DFT计算，揭示了异质结诱导的电子环境调控机制。该工作为废弃物高值化利用协同高性能双功能材料设计提供了新的研究思路。相关成果以“Fe–Mn Heterojunction Modulated Electronic Environment for Enhanced CO₂ Capture and In Situ Conversion Performance”为题发表于Carbon Energy。

图 文 解 析

图1：双功能材料的合成与结构表征: (A) 合成流程示意图。(B)还原后BC–Ni、BC–NiZn、BC–NiCo和BC–NiMn的XRD图谱。(C) SEM与HRTEM图像。还原后(D) BC–Ni和(E) BC–NiMn的EDX元素分布图。

图2：还原后BC–Ni、BC–NiZn、BC–NiCo和BC–NiMn的XPS谱图：(A) Fe 2p3/2，(B) O 1s和(D) Ni 2p3/2。(C)新鲜DFMs的H₂-TPR曲线。(E) Mn掺杂双功能材料原位CO₂转化与电子迁移示意图。(F，G) BC–Ni及(H, I) BC–NiMn的电荷密度差分图。

图3：BC–Ni、BC–NiZn、BC–NiCo和BC–NiMn在10次循环中的 (A) CO₂捕集容量， (B) 第1次与第10次循环的平衡CO₂吸附量(qe)与捕集速率常数 (K)，(C) 第3次循环CO₂吸附曲线，(D) CH₄转化率，(E) CO2转化率，以及 (F) 10次循环中的CO、H₂产率与H₂/CO比值。(G) BC–Ni、(H) BC–NiZn、(I) BC–NiCo和 (J) BC–NiMn在第3次循环中的产物组分分布。

图4：(A) BC–Ni与(B) BC–NiMn的原位DRIFTS谱图。(C) BC–Ni与BC–NiMn的反应路径示意图。

图5： (A) BC–NiMn_2.5与BC–NiMn_7.5的SEM图像。 (B) 还原后BC–NiMn_2.5、BC–NiMn₅和BC–NiMn_7.5的XRD图谱。还原后 (C) BC–NiMn_2.5与 (D) BC–NiMn_7.5的EDX元素分布图。还原后BC–Ni、BC–NiMn_2.5、BC–NiMn₅和BC–NiMn_7.5的XPS谱图：(E) Fe 2p3/2，(F) Mn 2p3/2和 (G) O 1s。

图6：(A) 10次循环中的CO₂捕集容量，(B) 第1次与第10次循环中的化学反应速率常数与扩散速率常数，(C) CH₄转化率，(D) CO₂转化率，(E) 第3次循环中的产物组分分布，以及 (F) 10次循环中的H₂/CO比值。

图7：BC–NiMn在CO₂甲烷重整过程中的反应机理示意图。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Fe–Mn Heterojunction Modulated Electronic Environment for Enhanced CO₂ Capture and In Situ Conversion

文章研究方向：

废弃物基双功能材料

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70274

DOI: 10.1002/cey2.70274

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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