三院院士领衔！光催化，再登Nature Catalysis！

三院院士领衔！光催化，再登Nature Catalysis！

近日，美国三院院士/莱斯大学Naomi J. Halas教授联合Peter Nordlander教授等人在Nature Catalysis期刊上发表了题为“Steam methane reforming using a regenerable antenna–reactor plasmonic photocatalyst”的最新成果。研究人员通过将等离子体Cu天线与具有催化活性的Rh相结合，形成Cu-Rh表面合金，AR光催化剂可以为高效、选择性光催化蒸汽甲烷重整（SMR）提供途径。

研究人员通过将等离子体Cu天线与具有催化活性的Rh相结合，形成Cu-Rh表面合金，AR光催化剂可以为高效、选择性光催化蒸汽甲烷重整（SMR）提供途径。光催化SMR主要由等离子体介导的热载流子驱动，这降低了表观能垒并有助于提高催化稳定性。如果没有热载流子，热催化会使催化剂因氧化和焦化而失活。热失活的催化剂可以在光催化中再生，恢复光照条件下的反应性和选择性。Cu₁₉.₅Rh₀.₅光催化剂显示出最高的氢气转化频率（H₂ TOF），达到0.308 s⁻¹，时空产率达到 15.6 μmol·cm⁻³·s⁻¹，而大型催化过程的基准值只有1 μmol·cm⁻³·s⁻¹。

文章亮点

• 等离子体光催化方法：通过利用金属纳米颗粒中的表面等离子体衰减产生的热载流子，克服了以往光催化SMR研究中的限制。

• 热载流子驱动的反应机理：研究发现，光催化SMR主要由等离子体介导的热载流子驱动，这些热载流子降低了表观能量障碍，有助于提高催化稳定性。

• 催化剂的再生能力：在热催化条件下失活的催化剂可以通过共振照射再生，恢复光催化条件下的反应性和选择性。

• 光催化反应的光谱依赖性：通过改变激发波长研究了产物形成，发现反应活性和选择性与激发波长有关，表明可以通过光学控制化学选择性。

图1.光催化甲烷蒸汽重整Steam methane reforming，SMR

图2.光催化甲烷蒸汽重整SMR的机理研究

图3.热催化失活和光催化再生

图4.光催化再生机理的研究

蒸汽甲烷重整（SMR）是全球制氢的主要工业工艺，占全球氢气产量的一半，但传统热处理需高温且碳强度高。光催化蒸汽甲烷重整（SMR）通过降低活化能，有望避免高温，但目前应用受限于紫外线照射或需额外加热。而前文中提到的这项研究中，一旦针对Rh负载和其光反应性的波长依赖性进行优化，Cu-Rh AR光催化剂对于光催化SMR而言具有反应性、选择性和稳定性。在热、暗条件下运行的光催化剂会快速失活，而通过返回光催化SMR可以完全再生。通过跟踪催化剂在热失活和光催化再生过程中的详细元素演变，观察到热载体相关过程促进了C和O中间体的结合解吸，并有助于氧化光催化剂恢复到氧化程度较低的状态，这与可靠且实用的恢复光催化活性一致。热载体驱动的解吸过程导致光催化剂活性的恢复，具有极其重要的意义。它可以延长催化剂的寿命，并使失活的催化剂普遍再生。

文章信息

Steam methane reforming using a regenerable antenna–reactor plasmonic photocatalyst, Yigao Yuan, Jingyi Zhou, Aaron Bayles, Hossein Robatjazi, Peter Nordlander* and Naomi J. Halas*, Nature Catalysis, 10.1038/s41929-024-01248-8.