高效調控光還原CO₂的反應路徑以獲得所需產物是一項極其艱巨的任務。設計CO₂吸附、活化和調節(jié)反應路徑的活性位點是解決這一挑戰(zhàn)的關鍵。

2024年12月26日，西安交通大學郭烈錦院士、劉亞副研究員在國際期刊Advanced Functional Materials發(fā)表題為《Decrypting the Controlled Product Selectivity over Tunable Ni─Co Bimetallic Alloy for Photoreduction CO₂》的研究論文，Xiaofeng Kang、Zhizhong He為論文共同第一作者，郭烈錦院士、劉亞副研究員為論文共同通訊作者。

郭烈錦，西安交通大學教授，中國科學院院士（2017），發(fā)展中國家科學院院士（2021），國家杰青（1997）。1963年出生，1983年和1989年本博畢業(yè)于西安交通大學，隨后在工程熱物理研究所任教，歷任助教、講師、教授。1992年進入動力工程多相流國家重點實驗室，歷任分室副主任、副主任、主任。2003年擔任西安交通大學院長。

郭烈錦院士主要從事能源動力多相流及氫能科學技術的研究。針對化石能源潔凈高效、可再生能源高效低成本的轉化利用的科學前沿和國家重大需求，建立了復雜多相流及能質傳輸和轉化、多相流測控和流動安全保障等的理論，創(chuàng)建了超臨界水蒸煤制氫、太陽能光催化多相連續(xù)流制氫等能源轉化利用的新理論新方法，成功應用于熱能動力、航天、海洋石油等多個領域，取得系統(tǒng)性創(chuàng)新性成果。

他已在NAT COMMUN、NAT ENERGY、CHEM REV、JACS、IJMF、IJHE等多個國內外著名學術期刊發(fā)表論文900余篇，其中SCI收錄580余篇。

劉亞，西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室副研究員。2018年取得西安交通大學博士學位。2015年-2016年以聯(lián)合培養(yǎng)身份在美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室Joel Ager課題組進行合作研究。

劉亞的研究方向主要包括：太陽能驅動的二氧化碳還原制碳氫燃料或高價值化學品、能源轉化過程第一性原理/分子動力學/多物理場數(shù)值模擬分析、太陽能驅動的海水淡化及綜合利用。截至2017年11月，他已發(fā)表高水平期刊發(fā)表SCI論文40余篇，公示及授權國家發(fā)明專利7項。

在這里，研究人員采用合金合成策略，通過不對稱耦合不同比例的Ni和CO負載在晶體氮化碳（CCN）上，開發(fā)了光還原CO₂為HCOOH和CO的高選擇性位點，并通過高分辨率透射電鏡（HRTEM）成像、X射線衍射（XRD）圖譜和X射線光電子能譜（XPS）證實了這一點。

原位傅里葉變換紅外光譜表明，關鍵中間體*OCHO到HCOOH的路徑更傾向于在Ni位點形成，而*COOH到CO的路徑更傾向于在CO位點產生，兩個關鍵中間體的特征峰強度在NiCo雙金屬的協(xié)同效應下更強，這一點通過理論計算得到了進一步驗證。

因此，優(yōu)化的Ni_xCo_y合金在無犧牲劑條件下，HCOOH的選擇性為98.5%(產率為194.5 μmol g^-1 h^-1)， CO的選擇性為85.4%（產率為144.8 μmol g^-1 h^-1）。

圖1：Ni_xCo_y-CCN合金的制備和結構表征

圖2：Ni_xCo_y–CCN的電子結構和載流子分離/轉移動力學

圖3：Ni_xCo_y–CCN中Ni和Co的局部配位結構和電子環(huán)境

圖4：Ni_xCo_y-CCN的光催化CO₂還原反應性能

圖5：所制備光催化劑的光還原CO₂性能

圖6：Ni_xCo_y-CCN的CO₂吸附和光催化機理

圖7：Ni_xCo_y-CCN光催化CO₂還原過程的反應機理

綜上，作者研究了通過調控Ni-Co雙金屬合金的比例來實現(xiàn)對光催化還原二氧化碳（CO₂RR）產物選擇性的精確控制，成功開發(fā)了在無犧牲劑條件下，對HCOOH和CO具有高選擇性、高產率的光催化劑。

研究表明，通過合金化策略，可以顯著提高CO₂光還原反應的活性和產物選擇性，這對于開發(fā)高效、低成本的CO₂光還原系統(tǒng)具有重要意義，為太陽能驅動的CO₂轉化提供了新的視角，并為實現(xiàn)可持續(xù)的碳資源循環(huán)和能源供應開辟了新途徑。

Decrypting the Controlled Product Selectivity over Tunable Ni-Co Bimetallic Alloy for Photoreduction CO₂, Advanced Functional Materials, 2024. https://doi.org/10.1002/adfm.202419802.