太阳能驱动光热催化二氧化碳转化综述：从基础原理到应用前景
太阳能驱动光热催化二氧化碳转化综述：从基础原理到应用前景
随着全球对可持续能源和环境保护的关注日益增加，太阳能驱动的光热催化技术在二氧化碳转化领域展现出巨大的潜力。哈尔滨工业大学帅永课题组在Rare Metals期刊上发表的综述文章，全面总结了光热催化技术在二氧化碳转化领域的研究进展和未来方向。
太阳能驱动光热催化技术概述
太阳能驱动光热催化技术是绿色可持续技术的重要组成部分，通过光热效应将太阳能转化为光载体/热电子和热量，进而调控催化反应途径，生产高附加值的燃料和化学品。该技术的核心在于如何实现高转换效率、可循环性和耐用性，目前仍面临诸多挑战。
文章亮点
可行性与有效性：研究证实了利用太阳辐照将二氧化碳转化为可持续高附加值燃料和化学能技术的可行性和有效性，有望成为一种低成本、可再生、净零碳排放的工业原料合成技术。
研究重点：
- 光学系统的优化和动态调控，提高光学利用和吸收效率
- 反应器结构、反应过程的优化和材料制备
- 光热效应的性能演变和调控策略研究
- 挑战与机遇：当前在大规模示范和应用方面提高太阳能光热催化转化效率仍然面临着严峻挑战，但通过优化光热催化系统和材料设计，有望实现突破。
图文解析
太阳能驱动的化学催化分解
图1：太阳能驱动基于二氧化碳光热催化转化机理
太阳能驱动的化学催化分解CO2、H2O和CH4所释放的合成天然气(SNG)、CO和/或H2可作为合成工业可燃原料的基石。然而，目前还缺乏有关太阳能驱动的二氧化碳催化还原反应的基本机理研究，以及能够有效利用光诱导加热的储能材料的合理设计。
太阳能驱动催化技术的应用潜力
图2：太阳辐照诱导的CO2催化还原和光催化剂活性
太阳能驱动催化技术在碳中和能源领域中的巨大应用潜力。根据参与化学反应的电子和质子的数量，CO2可通过光还原机制转化为CO、CH4和CH3OH。CH4的形成可能优先于其他产物，这表明CO2甲烷化是最有效的CO2光催化还原过程。
光热催化CO2转化为燃料
图4：光热催化CO2转化为燃料
光热催化CO2转化为燃料的机制包括：太阳能驱动的二氧化碳催化转化机制、全光谱太阳能利用方法、Au/CeO2异质结构上的CO2光热氢化反应等。这些机制展示了光热催化在能源转换领域的广阔前景。
光诱导电子-热耦合储能系统
图5：光诱导电子-热耦合储能系统
光诱导电子-热耦合储能系统包括全光谱太阳能转换过程、光热燃烧反应器、太阳能光热制氢和光伏电池发电等。这些系统展示了光热催化在能源转换领域的广阔前景。
催化剂设计与优化
图6：高亮显示数据库中在微观-宏观尺度上的二氧化碳光热催化转化潜力最高的催化剂
材料选择和化学组分方面具有一定的相似性，同一种单原子催化剂或复合催化剂在紫外-可见光或热条件下都具有良好的性能。在催化剂选择过程中，活性催化剂的光激发会降低材料在热化学过程的活化能，而在光化学过程中，热效应可以降低活性材料带隙能。
全文小结
目前研究表明，太阳能多光谱辐射通量的传递与光催化活性反应介质中的热传递，可通过包含光诱导加热介导的热催化、热助光催化和光热协同催化在内的不同反应机理，并伴随反应气体（CO2）的转化来诱导催化剂活化。与光热协同催化相比，热助光催化的CO2转化过程基于光催化机理，而光助热催化的CO2转化过程则依赖于热化学机理。由于对这些不同机理的了解有限，限制了太阳能的有效开发与高效利用。此外，提高光热转换效率，通过热管理改善光热催化活性，以及增强催化位点的内在反应性，都是提高太阳能转化为化学能效率的关键因素。仍需开展大量研究并提出创新性想法来提高光学和量子效率、光谱传输和传热效率，提升多电子传输过程中的动力学和热力学性能，以解决电子-空穴重组的问题并强化光-热能量转换。因此，目前研究的重点应当集中于设计高性能流动型反应器和开发具有更好整体性能的材料上。
本文原文发表于Rare Metals期刊，详细内容请参考原文：
Guene Lougou, B., Geng, BX., Pan, RM. et al. Solar-driven photothermal catalytic CO2 conversion: a review. Rare Met. (2024).