大連化物所等在人工光合成太陽燃料研究方面取得新進展

　　近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室及太陽能研究部研究員李燦與福州大學化學學院教授王緒緒課題組合作發展了一種固態Z-機制復合光催化劑，在可見光下將H2O和CO2高效轉化為甲烷（天然氣），實現了太陽能人工光合成燃料過程，研究論文以Visible-Light driven overall conversion of CO2 and H2O to CH4 and O2 on 3D-SiC@2D-MoS2 heterostructure 為題，在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.）上發表。

　　人工光合成太陽燃料指利用太陽能等可再生能源通過光催化、光電催化或電催化將水和二氧化碳轉化為化學燃料的過程，該過程模擬自然光合作用，是人類從根本上解決能源和環境問題的途徑之一，也是科學界圣杯式的難題，面臨巨大的挑戰。

　　人工光合成太陽燃料過程有若干反應，其中，太陽能+CO2+2H2O→CH4+2O2為涉及8個電子的多步反應，是最具挑戰性的一個反應。迄今雖然有大量文獻報道了該反應，但反應效果都不理想。此外，近年雖然不少文獻報道了光催化產生CH4反應，但這類反應大多是在有犧牲劑存在情況下取得的結果，并沒有檢測到釋放氧氣或檢測到的氧氣量遠低于化學計量比，所以這不是真正意義上的太陽能轉化為化學能的反應。因此，將水計量地氧化為氧氣（或過氧化氫）并同時將二氧化碳高效還原為甲烷的光催化過程才是實現真正意義上的太陽能到化學能的轉化。

　　針對這一難題，該工作用納米晶（3D-SiC）和二維納米片（2D-MoS2）通過靜電組裝技術構筑出了一種萬壽菊型納米花，其具有二型異質結和Z-scheme半導體構型。這種3D-SiC@2D-MoS2催化劑在可見光照射下表現出高達323μLg-1h-1的甲烷產率和620μLg-1h-1氧氣釋放量，在400nm光照下，甲烷的光轉化產率達到1.75%。這是目前報道的可見光下CO2用純水全還原反應的最高產率。詳細的產物分布分析和同位素示蹤等實驗和機理研究表明，伴隨著H2O的氧化，CO2在光催化劑上依照CO2→HCOOH→HCHO→CH3OH→CH4的加氫途徑逐步被還原為甲烷。值得指出的是，這個研究過程中可檢測到化學計量比例的氧氣和甲烷（氧氣/甲烷摩爾比接近2），同位素實驗也確認了化學計量氧的生成，這對于學術界理解和進行人工光合成具有重要借鑒意義。這個工作為人工光合成太陽燃料提供了一條新的途徑。

大連化物所等在人工光合成太陽燃料研究方面取得新進展