近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员邓德会和研究员于良团队在“铠甲催化剂”全光谱高效光热催化转化研究上取得新进展。团队以石墨烯封装CoNi金属“铠甲催化剂”为基本单元，构筑了等级纳米笼结构，提升了太阳光吸收率、光热转化效率和催化反应活性，进而实现了全光谱吸收-太阳光热增强电解水析氧反应过程。该工作为全光谱太阳光热转化高效催化剂的设计和应用提供了新思路。相关成果发表在《德国应用化学》上，并被选为后封面文章。
“铠甲催化”实现增强电解水析氧反应示意图。大连化物所供图
光热转化是基于光激发材料电子能级或振动能级跃迁弛豫中的电声耦合效应，将光能转化为热能的过程。利用太阳光热转化产生的高温替代传统加热方式来驱动催化反应，对于降低碳排放、建立绿色催化技术具有重要意义。然而，传统光热材料难以同时具备高效光热转化能力和高催化活性，所以通常需要光热材料与催化材料的复合来实现光热催化转化，这限制了对太阳光热的利用效率。开发兼具高吸光率、高光热转化效率、优异催化活性的新型光热催化剂，实现在催化位点处的全波段太阳光高效捕集和光热转换，是太阳能光热催化高效利用的关键但却极具挑战。
在此基础上，团队发现在石墨烯封装CoNi合金铠甲催化剂中，金属-石墨烯电子相互作用可提升石墨烯价带和导带电子态密度，从而在激发石墨烯表面催化活性的同时增强了石墨烯层的光吸收率和光热转化率。进一步，团队利用铠甲催化剂作为基本单元组装成类似“黑体模型”的中空等级纳米笼结构，这种独特的结构不仅增强了光在纳米笼铠甲催化剂外表面的吸收，也促进了透进纳米笼内光的多重吸收与光热转化，从而实现了全太阳光谱98%的吸收率和高达97%的光热转换效率。在电解水析氧反应中，该催化剂的高效光吸收与光热转化产生的表面局域高温，有效降低了反应热力学限制并促进了反应动力学，使得电解水电压降低超过240mV，达到传统反应系统整体加热手段无法实现的效果。
该工作展现了太阳光热转化在促进催化反应中的重要应用潜力，并为设计新型高效光热催化剂提供了新思路。
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202412049
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