近日，本课题组与李和兴教授课题组合作在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》发表题为“A novel amorphous alloy photocatalyst (NiB/In2O3) composite for sunlight-induced CO2 hydrogenation to HCOOH”研究工作。该工作介绍了一种新型非晶态合金-半导体复合材料（NiB-In2O3），NiB非晶态合金促进二氧化碳活化及氢气解离，In2O3光催化增强NiB非晶态合金的催化活性和稳定性，实现二氧化碳高活性与选择性转化为甲酸。
背景介绍
实现碳达峰、碳中和目标既要开发新能源，减少碳排放，也要加强二氧化碳的再利用，实现污染物资源化。由于二氧化碳为线性分子非常稳定，其转化十分困难。单纯金属催化和光催化二氧化碳转化均存在反应效率低、催化剂易失活等问题，限制了其应用。开发新型复合材料，提高光催化与金属催化协同，是实现二氧化碳高活性、高选择性、长效转化的有效途径。
研究出发点
光催化剂In2O3有较好的可见光吸收能力，表面丰富的羟基可以促进二氧化碳分子吸附，在二氧化碳光催化还原方面受到了广泛关注[1]。一些贵金属如Pt、Pd和Ru沉积在In2O3上，可作为热催化剂及助催化剂促进光催化反应[2-4]，但贵金属成本高且稀缺。过渡金属如Ni和Co可替代贵金属，然而关键问题是提高其活性和选择性。我们以往的研究工作显示，非晶态合金（如Ni-B、Co-B等）因其具备独特的配位和电子结构，表现出与贵金属催化剂相当的加氢活性和选择性[5-7]。
本工作将NiB非晶合金与In2O3半导体复合，开发了一种新型多功能催化剂，在光催化二氧化碳氢化过程中表现出高甲酸产率（5158.0 umol g-1 h-1）。In2O3作为光催化剂产生光电子用于活化二氧化碳，并提供足够的表面羟基（In-OH），有利于反应过程中二氧化碳的吸附；NiB独特的非晶态合金结构使Ni位点富电子，促进了氢气的解离；NiB纳米颗粒在In2O3表面高度分散，并通过与In2O3之间的相互作用，在NiB和In2O3之间提供了丰富的界面，不仅促进光电子转移，减少光电子-空穴的复合，也提高表面化学反应活性，光催化剂和金属催化剂的协同作用，实现高效二氧化碳氢化生产甲酸。
图文解析
Figure 1. (a) In2O3、NiB和x-NBIN的XRD，(b) In2O3的SEM图像，(c) NiB的TEM图像，插图为NiB的SAED，(d) 15-NBIN的SEM图像，(e-g) 15-NBIN的TEM图像，(h-l) 15-NBIN的元素映射图。
Figure 2.不同样品在(a) In 3d和(b) Ni 2p的XPS光谱，(c) UV-Vis DRS光谱和(d)其相应的（αhν）1/2-hν图，(e)稳态PL光谱，激发波长为350 nm，(f)在300W Xe灯照射下获得的光电流响应光谱。
Figure 3.二氧化碳在(a) NiB、In2O3、x-NBIN和(b) 15-NBIN、15-NBIN-x上氢化活性。
Figure 4. (a) 15-NBIN和(b) NiB的稳定性测试。
Figure 5. NiB/In2O3表面可能的反应机制。
总结与展望
通过在In2O3上沉积NiB非晶态合金纳米颗粒，开发了一种新型复合催化剂（NiB/In2O3），在照射下实现二氧化碳高效氢化合成甲酸。NiB非晶态合金既是优良的二氧化碳加氢催化剂，又是In2O3光催化剂良好的电子导体，有效抑制光电子-空穴复合。In2O3既可以实现可见光催化二氧化碳加氢转化，又促进NiB非晶态合金催化二氧化碳加氢，并抑制NiB非晶态合金的结晶、浸出和聚集，提高催化剂使用寿命。另外，NiB-In2O3之间的相互作用有利于二氧化碳分子在其界面处实现桥式吸附，形成HCOO-中间物，增强产物甲酸的选择性。本工作首创非晶态合金与半导体多功能材料，可为二氧化碳转化等高难度反应开发高效、稳定和廉价的复合型催化剂。
参考文献
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