二氧化碳會造成溫室效應(yīng)，但是他也能為人類造福，為什么呢？

水可以分解成氫氣和氧氣，那么如何利用光來分解呢？

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心研究員王曉東團隊在高溫?zé)峄瘜W(xué)裂解二氧化碳和水制太陽能燃料(合成氣或氫氣)方面取得新進展，相關(guān)研究成果以全文的形式發(fā)表于《能源和環(huán)境科學(xué)》(Energy Environ. Sci.)上。

兩步法太陽能高溫?zé)峄瘜W(xué)儲能是利用聚焦太陽能，高溫?zé)崃呀舛趸己退倪^程。該方法可將間歇性、能量密度低、分布不均勻的太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、能量密度高、易于儲存運輸?shù)奶柲苋剂?合成氣或氫氣)，實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的直接轉(zhuǎn)化;由于其氣固相操作簡單，太陽能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率高，近年來受到研究者的廣泛關(guān)注。因此，如何設(shè)計性能優(yōu)異的催化體系，實現(xiàn)二氧化碳和水的高效活化和轉(zhuǎn)化具有重要意義，也十分具有挑戰(zhàn)性。

在前期水裂解研究工作中(AIChE J)，該團隊開發(fā)了一種CeO2-SnO2復(fù)合氧化物相變材料，可有效降低第一步熱還原溫度，提高氫氣的產(chǎn)量。然而該方法的水裂解速率較低，氫氣的產(chǎn)生速率和循環(huán)穩(wěn)定性有待進一步提高。

太陽能水裂解過程

在此基礎(chǔ)上，該團隊開發(fā)了一種CeO2-TiO2復(fù)合氧化物負載的鎳基催化劑，并在第一步熱還原過程中引入還原劑——甲烷，可以大幅提高太陽能燃料的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，在900°C等溫條件下，二氧化碳和水裂解反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣的產(chǎn)生速率分別高達168.8和97.5mLmin-1g-1，是目前已有報道的最高值。此外，甲烷部分氧化的轉(zhuǎn)化率高達近100%。該催化劑經(jīng)過50個氧化還原循環(huán)后，仍能夠保持較高的二氧化碳和水裂解速率和甲烷轉(zhuǎn)化率。

詳細的表征和DFT理論計算研究表明，單質(zhì)鎳和CeO2-TiO2復(fù)合氧化物存在協(xié)同效應(yīng)：單質(zhì)鎳和鎳/氧化物界面為該循環(huán)反應(yīng)的活性中心，可有效活化惰性氣體分子二氧化碳、水和甲烷，促進循環(huán)過程中CeO2-TiO2復(fù)合氧化物到Ce2Ti2O7燒綠石的相變，以及鈰的深度還原;循環(huán)過程中CeO2-TiO2復(fù)合氧化物晶格氧的嵌入與脫除為二氧化碳和水裂解，以及甲烷部分氧化提供了熱力學(xué)驅(qū)動力，從而實現(xiàn)該催化劑的高活性和高穩(wěn)定性。

該工作為設(shè)計高效催化體系用于太陽能熱化學(xué)儲能技術(shù)提供了重要的理論依據(jù)和全新的策略。相信在科學(xué)家們的不斷努力研究下，對太陽能的利用會越來越高，人們能有更多的能源利用。