纳米温室效应与等离激元超结构双剑合璧助力超光热催化CO2甲烷化

前言

近日，Advanced Materials在线发表了苏州大学何乐教授团队在光热催化领域的最新研究成果。该工作发展了一种新颖的协同策略，耦合了纳米温室效应和等离子体杂化效应，极大增强了4 nm钴纳米颗粒催化剂的光热转换效率，在光热催化甲烷化反应中表现出优异的活性、选择性和稳定性。

研究背景

光热转换是光热疗法、光热驱动、海水淡化和光热催化中的关键过程。在不同光热材料中，纳米结构因其独特的光学和热学特性而备受关注。为了提高纳米材料的光热转换的整体效率，还要关注光吸收能力和热量管理。现有研究多集中在对材料光吸收能力的优化，如缺陷工程、掺杂工程、形貌工程和结构工程。最近，我们提出了“纳米温室效应”的概念，是基于热量管理提高纳米结构局部温度的新方法。在许多光热相关应用中，有必要在不牺牲纳米材料其他物理、化学性质的情况下，提高光热转换效率。例如，在光热催化中本征催化性能对于构筑高效的光热催化剂非常重要，小尺寸金属颗粒具有优异的催化性能，但其光捕获能力较差。因此，实现小尺寸金属纳米颗粒上高效光热转换非常有必要但又极具挑战性。

本文亮点

该文章提出了一种协同策略，在保持超小尺寸Co纳米颗粒的高本征活性的同时，利用纳米温室效应和等离子体杂化效应同时提升催化剂的光热转换效率。二氧化硅壳在维持离子体超层结构以有效利用整个太阳光谱，以及通过纳米温室效应减少钴纳米颗粒的热损失等方面发挥着关键作用。优化后的Co-ss@SiO₂催化剂在光热甲烷化气反应中表现出优异性能，达到创纪录的活性（2.3 mol·g_Co^-1·h^-1）、接近100%甲烷选择性和良好的稳定性。我们的研究揭示了纳米温室效应通过与传统的促进策略相结合在增强光热转化效率方面的巨大潜力，为设计高效的光热纳米材料提供了参考。

图文解析

图1：不同样品的制备过程示意图。

要点：制备超小Co纳米颗粒等离子体超结构的关键在于二氧化硅壳层能够在还原气氛高温预处理过程中保持Co颗粒的尺寸

图2：Co-ss@SiO₂超小Co纳米颗粒等离子体超结构催化剂结构表征。

要点：超小尺寸（~ 4 nm）的Co纳米颗粒均匀且紧密堆积在三明治结构的夹层中。

图3：Co-ss@SiO₂超小Co纳米颗粒等离子体超结构催化剂光学性能。

要点：Co-ss@SiO₂展现出优异的光学性能。

等离子体杂化效应对于提升超小Co纳米颗粒等离子体超结构催化剂的光吸收效率具有重要作用。
FDTD进一步证明了多级等离子体超结构催化剂具有优异的光吸收性能，这可归因于共振等离子体耦合效应，同时SiO₂密闭空间保持了其结构完整性。

图4：不同催化剂的光热转换效果。

要点：Co-ss@SiO₂具有更好的光热转换性能。

相比于其他样品，Co-ss@SiO₂具有更快的升温速率和更高的表面温度。
等离子体杂化效应和纳米温室效应是导致其具有更高表面温度和更好的光热转换性能的主要原因。

图5：不同催化剂的光热催化甲烷化反应性能。

要点：在相同条件下，Co-ss@SiO₂展现出优异的活性、选择性和稳定性。

总结与展望

本文提出了一种协同策略，结合纳米温室效应和等离子体杂化效应的优势，使得Co-ss@SiO₂超小Co纳米颗粒等离子体超结构催化剂在相同条件下展现出优于其他催化剂的光热转换性能，在光热催化甲烷化反应中表现出优异的活性、选择性和稳定性。本研究揭示了纳米温室效应与常规促进策略相结合在提高光热转化效率方面的巨大潜力；同时还为太阳能光热转换纳米材料的设计原理提供了有价值的见解。

论文链接：“Supra-Photothermal CO2 Methanation Over Greenhouse-Like Plasmonic Superstructures of Ultra-Small Cobalt Nanoparticles”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308859