蘇州大學(xué)&加拿大多倫多大學(xué) ACS Nano研究論文：碳化鈮和碳化鈦MXenes材料作為優(yōu)異的光熱二氧化碳還原催化劑載體
發(fā)布時間：2021-11-10 08:53:54 人氣：1682
文章信息
碳化鈮和碳化鈦MXenes材料作為優(yōu)異的光熱二氧化碳還原催化劑載體第一作者：吳之怡通訊作者：何樂*，張曉宏*，Geoffrey A. Ozin*，李超然*單位：蘇州大學(xué)，加拿大多倫多大學(xué)
研究背景
針對傳統(tǒng)光催化二氧化碳還原太陽光利用效率受限的瓶頸挑戰(zhàn)，科學(xué)家們最近提出了光熱催化（photothermal catalysis）的新思路，該過程同時利用催化劑的光化學(xué)和光熱效應(yīng)，拓寬了太陽光譜的利用效率，有望實(shí)現(xiàn)高效光-化學(xué)能轉(zhuǎn)換。尋找具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的光催化劑，構(gòu)筑高效光熱催化體系，依然是該領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。在本研究工作中，我們首次探索了光吸收和光熱性能優(yōu)良的MXene材料在光熱催化中的應(yīng)用潛力。發(fā)現(xiàn)MXene材料是優(yōu)良的光熱催化劑載體，不僅能分散和穩(wěn)定活性金屬納米粒子，還能提升金屬納米催化劑的光利用效率，大幅提升光熱催化的性能。本工作開啟了MXene材料在光熱催化二氧化碳還原領(lǐng)域的新應(yīng)用，為構(gòu)筑高效光熱催化體系提供了新的思路。
文章簡介
在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際（地區(qū)）合作項(xiàng)目的支持下，來自蘇州大學(xué)的張曉宏教授、何樂教授、李超然副研究員與加拿大多倫多大學(xué)Geoffrey A. Ozin教授團(tuán)隊(duì)合作，近日在國際知名期刊ACS Nano上發(fā)表題為“Niobium and Titanium Carbides (MXenes) as Superior Photothermal Supports for CO2 Photocatalysis”的文章。文章首次報道了MXene作為光熱催化劑載體的新應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了MXene材料不僅可以有效分散和穩(wěn)定金屬納米顆粒，還能提升金屬納米顆粒的光熱催化活性，揭示了MXene材料在光熱催化中的巨大潛力。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：Nb2C MXene光熱性能優(yōu)良，但光熱催化CO2加氫性能較差采用傳統(tǒng)的刻蝕-剝層法合成了少層的碳化鈮材料（圖1a-d），盡管具有優(yōu)良的光吸收和光熱性能，但是其自身的H2和CO2活化能力非常差，不適合作為單組分的光熱催化劑（圖1e,f）。
圖1. (a) 少層碳化鈮納米片(fl-Nb2C)制備過程示意圖。(b) Nb2AlC前驅(qū)體，Al層刻蝕之后的多層Nb2C和少層Nb2C二維片狀材料的XRD圖譜。（c） 少層Nb2C二維片狀材料的TEM圖。（d）少層Nb2C二維片狀材料的AFM圖。（e）少層Nb2C的光熱催化二氧化碳加氫性能圖。（f）少層Nb2C在不同溫度梯度條件下的熱催化性能圖
要點(diǎn)二：MXene載體提升了鎳納米粒子的光熱催化活性考慮到Nb2C MXene優(yōu)異的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換性能，我們嘗試將其作為載體，負(fù)載Ni納米粒子，構(gòu)筑光熱催化劑。在相同條件下，相比于Nb2O5負(fù)載的Ni納米顆粒（Ni/Nb2O5），Nb2C負(fù)載Ni納米顆粒（Ni/Nb2C）的光熱催化活性提高了5.3倍（表1）。在36個太陽光照強(qiáng)度下，Ni/Nb2C的光熱CO2轉(zhuǎn)化速率到了創(chuàng)紀(jì)錄的8.50 mol·gNi-1·h-1。表1. Ni/Nb2C和 Ni/Nb2O5的光熱催化性能比較
要點(diǎn)三：Nb2C載體提升了Ni納米粒子的光熱轉(zhuǎn)換性能
漫反射光譜表明Nb2C負(fù)載Ni催化劑具有更好的吸光性能，在相同照射條件下測試不同催化劑的表面溫度和等效工作溫度，證實(shí)了光熱催化活性提高的主要原因是Nb2C載體提升了Ni納米粒子的光熱轉(zhuǎn)換性能（圖2）。
圖2. (a) Ni/Nb2C, Ni/Nb2O5, Nb2C和Nb2O5的紫外可見近紅外漫反射光譜圖。(b) Ni/Nb2C, Ni/Nb2O5, Nb2C和Nb2O5的催化劑表面溫度。（c）Ni/Nb2C在15 sun照射下的等效工作溫度。（d）Ni/ Nb2O5在15 sun照射下的等效工作溫度
要點(diǎn)四：Nb2C負(fù)載的Ni納米顆粒催化劑表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性Ni/Nb2C在長時間工作條件下依然保持著穩(wěn)定的光熱催化和熱催化性能，反應(yīng)后的Ni納米顆粒尺寸基本保持不變，證明其具有較好的穩(wěn)定性。Ti3C2載體也表現(xiàn)出類似的光熱增強(qiáng)和穩(wěn)定效果，進(jìn)一步證實(shí)了MXene載體在光熱催化中的巨大潛力。
圖3. (a)Ni/Nb2C的固定相光熱催化穩(wěn)定性測試結(jié)果（測試條件：10個循環(huán)，每個循環(huán)20分鐘）。(b) Ni/Nb2C的流動相熱催化穩(wěn)定性測試結(jié)果（測試條件：400 °C，不加光， 10 h）
文章信息
Niobium and Titanium Carbides (MXenes) as Superior Photothermal Supports for CO2 Photocatalysishttps://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c00990
課題組介紹
中方研究團(tuán)隊(duì)帶頭人為張曉宏教授，現(xiàn)任蘇州大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、副校長、教育部“蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心”常務(wù)副主任，是國家杰出青年基金獲得者，國家“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目（973）首席科學(xué)家，國家基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者。團(tuán)隊(duì)主要從事新型光功能材料研究，著重研究面向能量轉(zhuǎn)換的有機(jī)及納米半導(dǎo)體材料，具體包括：（1）電→光能量轉(zhuǎn)換材料與器件（2）光→電能量轉(zhuǎn)換材料與器件（3）光→化學(xué)能量轉(zhuǎn)換材料與器件，光催化及光存儲器件
課題組招聘
根據(jù)課題組發(fā)展需要，現(xiàn)擬招收1-2名從事氣相光催化二氧化碳還原研究的博士后研究人員，異相催化相關(guān)研究方向的申請者優(yōu)先考慮。待遇優(yōu)厚，且有機(jī)會到國外知名課題組聯(lián)合培養(yǎng)。有意者請發(fā)簡歷至lehe@suda.edu.cn。
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