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黑色氧化銦光熱CO2加氫，氧化銦光催化又一重大突破！

發(fā)布日期：2020-06-01 閱讀量：731

今天分享一篇由香港中文大學(xué)（深圳）王璐教授，天津大學(xué)胡智鑫教授和多倫多大學(xué)Geoffrey Ozin教授三方合作發(fā)表在Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-020-16336-z）的文章，題為“Black indium oxide a photothermal CO2 hydrogenation catalyst”。該文章的第一作者和共同第一作者分別為王璐教授和董玉嬋博士，通訊作者為王璐教授，胡智鑫教授和Geoffrey Ozin教授。基于Ozin教授之前對氧化銦基材料的研究基礎(chǔ)上，王璐教授先后以博士后和教授的身份先后與Ozin教授合作，對不同的氧化銦基催化材料進(jìn)行了一系列的系統(tǒng)性研究，并發(fā)表在Joule、Nat Com和Angew等國際學(xué)術(shù)期刊。

研究背景

氧化銦是一種被深入研究的寬帶隙半導(dǎo)體材料，并被廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)電玻璃等光電器件中。近年來，氧化銦也開始被應(yīng)用在光催化和熱催化CO2加氫制備CO、甲醇和多碳燃料等領(lǐng)域。然而由于其本征顏色為淺黃色，對太陽光的吸收較差，導(dǎo)致其催化性能受限。光熱催化CO2加氫被普遍認(rèn)為是一種更加便捷、安全和環(huán)保的催化模式，氧化銦作為一種同時(shí)可以進(jìn)行光催化和熱催化的催化材料，具有其他傳統(tǒng)熱催化材料或者光催化材料所不具備的優(yōu)勢，有潛力將光催化CO2加氫的催化性能推向新的高度。

結(jié)合之前對氧化銦基催化材料的研究積累，該研究提出了通過高溫氫氣處理的簡易方法，將淺黃色的氧化銦納米顆粒轉(zhuǎn)化為具有潛在局部晶格擴(kuò)張的黑色的氧化銦納米顆粒，并發(fā)現(xiàn)該黑色氧化銦可以用作光熱催化材料進(jìn)行CO2加氫反應(yīng)制備CO和甲醇。由于該制備方法簡單快捷，該方法有潛力應(yīng)用于大規(guī)模制備黑色氧化銦。

成果簡介

作者首先采用溶劑熱法首先合成出前驅(qū)物In(OH)3，然后通過高溫煅燒（700度）得到淺黃色氧化銦（In2O3），最后在氫氣氣氛下煅燒（400度）1小時(shí)得到黑色氧化銦（In2O3-x/In2O3）。該方法也可以直接使用商業(yè)In2O3通過氫氣處理得到黑色氧化銦，合成量可輕易達(dá)到克級。作者通過HRTEM、XRD、XPS、BET、原位XAS、原位環(huán)境電鏡等表征技術(shù)研究了黑色氧化銦的形成機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)由于表面氧原子缺失，導(dǎo)致氧化銦表面局部晶體無定型化（In2O3-x）并最終導(dǎo)致了黑色氧化銦（In2O3-x/In2O3）的形成，在高分辨電鏡和DFT理論計(jì)算的幫助下，作者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了由無定型化導(dǎo)致的可能存在的局部晶格擴(kuò)張。

在光熱催化性能方面（非流動(dòng)相），黑色氧化銦催化制備CO的速率可以達(dá)到1874.62 μmol h-1m-2，是未處理的淺黃色氧化銦的2400倍以上（0.78 μmol h-1m-2），其TOF經(jīng)計(jì)算可達(dá)到2.44 s-1，高于絕大多數(shù)光熱催化材料和光催化材料。在光輔助熱催化（有外部加熱）性能方面（流動(dòng)相），該黑色氧化銦同樣具有卓越的催化性能。在有光的條件下其甲醇性能在275度可以達(dá)到1.48 μmol h-1m-2（暗條件下，200-300度無甲醇生成），從側(cè)面證明了其光催化的可能性；CO性能在300度有光的條件下可以達(dá)到161 μmol h-1m-2，其光增幅高達(dá)400%，遠(yuǎn)高于前期所研究的不同氧化銦基的光增幅。在長達(dá)70小時(shí)的穩(wěn)定性測試中，該催化材料同樣顯示出了良好的穩(wěn)定性。