仪器表征，科学家实现乙醇高效产率与能源可持续利用新技术!

【科学背景】

随着全球气候变化和环境问题的日益严重，碳达峰和碳中和已成为全球关注的焦点。利用可再生能源将CO2转化为有价值的化学品是实现净零碳管理的重要途径。然而，生成高附加值多碳（C2+）产品仍然是一个巨大挑战。特别是乙醇由于其高能量密度（26.8 MJ kg−1）和便捷的运输与储存特性，在实际应用中具有显著优势。尽管CO2还原为乙醇在热力学上是有利的，但激活CO2分子（C=O键能为806 kJ mol−1）需要大量的能量输入，传统热催化通常需要高温（200-400°C）才能实现足够的反应速率，这需要额外的加热装置，导致成本增加和CO2排放增多。此外，加热会影响整个反应装置，导致没有催化剂的区域出现能源浪费。

光热催化结合了传统热催化和光催化的优势，利用光热材料局部加热催化区域，同时利用光激发的载流子进行催化反应。然而，单一光热材料在CO2转化方面仍存在严重的局限性。首先，光热材料产生的热量容易通过红外辐射散失，难以维持局部高温。其次，为增强光吸收能力，光热材料需要具备窄带隙，这限制了它们在同时进行CO2还原和H2O氧化时的应用。此外，传统光热复合材料通常依赖贵金属的等离子体效应，效率较低且成本高昂，大多数研究使用H2作为还原气体，在利用H2O作为质子源进行高效CO2光热转化方面进展有限。

为此，中国科学技术大学，微尺度物质科学国家研究中心孙永福教授以及德国德累斯顿工业大学Xinliang Feng教授合作提出了一种基于Cu/Cu2Se-Cu2O异质结纳米片阵列（Cu-CSCO HNA）的原位热增强方法。该设计通过Cu箔作为基底，维持催化剂温度并确保反应持续进行；垂直原位生长的Cu2Se纳米片引发光热效应，作为CO2转化催化剂；Cu2Se纳米片之间的阵列间隙作为微反应器，提高中间体浓度，促进C-C偶联过程。

原位生长的Cu2O纳米颗粒形成Z型异质结，加速载流子的空间分离，抑制复合，提高光催化效率。结果表明，该系统在可见光-红外光照射下，可在2分钟内加热至200°C，并实现149.45 µmol g−1 h−1的乙醇生成速率，电子选择性为48.75%。

【科学亮点】

（1）实验首次提出了基于Cu/Cu2Se-Cu2O异质结纳米片阵列（Cu-CSCO HNA）的原位热增强方法，成功实现了在可见光-红外光照射下高效将CO2转化为乙醇。

（2）实验通过以下几点取得了重要结果：

•首先，利用Cu箔作为基底稳定催化反应温度，保证了连续的CO2还原反应，Cu2Se纳米片的光热效应使系统温度迅速升至200°C以上，无需外部加热设备。

•其次，垂直生长的Cu2Se纳米片作为催化剂，展现出丰富的活性位点和高效的光催化性能，促进了CO2的选择性还原为乙醇。

•第三，Cu2Se-Cu2O异质结构形成的Z型能级带结构有效分离载流子，抑制了复合效应，提高了光催化效率。

•最后，通过密度泛函理论计算和原位傅里叶变换红外光谱实验，证明了Cu-CSCO HNA系统在水为质子源条件下的高效率乙醇生成，乙醇生成速率达到149.45 µmol g−1h−1，电子选择性为48.75%。

【科学图文】

图1：Cu-CSCO HNA的理论能带结构。

图2：Cu-CSCO HNA的表征。

图3：Cu-CSCO HNA的光热效应和催化性能。

图4：Cu-CSCO HNA光热CO2转化为乙醇的反应机制研究。

【科学结论】

本文通过设计和应用Cu/Cu2Se-Cu2O异质结纳米片阵列（Cu-CSCO HNA）光热催化剂系统，成功实现了在太阳光谱下将CO2高效转化为乙醇的目标。这一成果不仅展示了光热效应与光催化的协同优势，还通过优化载流子传输和中间体浓度调控，显著提高了C-C偶联反应的效率。

此外，催化剂在无需外部加热的情况下即可达到高温，有效地降低了能源消耗和成本。这种策略不仅有望推动CO2转化技术向更高效率和可持续性发展，还为开发其他需要高温的重要催化反应（如甲烷氧化和氨合成）提供了新的思路和方法。

原文详情：Li, X., Li, L., Chu, X. et al. Photothermal CO2 conversion to ethanol through photothermal heterojunction-nanosheet arrays. Nat Commun 15, 5639 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49928-0