光热催化CO2加氢制备高值化学品和燃料是一种缓解能源和环境问题的有效途径。其中，活性位点和光吸收单元的精准设计是开发高效光热催化剂的关键。传统催化剂设计以氧化物负载等离激元金属助催化剂结构为主，其具有宽光谱光吸收、高效的光热转换效率和高比表面积等优点。然而，该类催化剂仍受到制备工艺复杂、成本高等问题的制约。因此，开发新型非贵金属光热催化剂具有十分重要的意义。
近日，中国科大熊宇杰教授团队和苏州高研院刘东教授团队组合作设计了一种具备非金属等离激元效应的Mo2N/MoO2-x光热催化剂，并通过一步法在催化剂中实现双活性位点的可控调节，实现了高效、高选择性、高稳定性的光热催化CO2转化。在流动相条件下，Mo2N/MoO2-x催化剂CO生成速率高达355 mmol gcat-1 h-1，产物选择性超过99%，稳定性长达190小时。
为进一步探究双活性位点协同作用机理，研究人员首先利用合肥光源红外线站发展的原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）技术对Mo2N/MoO2-x光热催化CO2加氢中间体进行研究。在反应过程中，可以清晰的观察到NHx中间体的存在；原位NAP-XPS中N 1s向低结合能位移，同样证明了NHx中间体的形成，两种原位谱学技术均证明了催化剂中N位点对于反应物H2的吸附活化作用。另一方面，两种测试结果中均观察到了碳氧物种的存在，而原位红外光谱更加清晰地观测到甲酸根中间体，这不仅精准表征了CO2加氢的反应路径，也证明了催化剂中O空位对于CO2分子的吸附活化作用。最后，结合理论计算模拟，证明N原子和O空位双活性位点的协同作用能够同时促进H2和CO2分子在催化剂表面的吸附活化，从而有效降低反应能垒；另通过多种催化模式对比证明了光热催化在提高能量转换效率和热管理方面的优势。综上，这项工作为高效光热催化CO2转化提供了一种简单有效的催化剂设计思路和机理探究途径。
图1. (a) Mo2N/MoO2-x的原位漫反射傅里叶变换红外光谱
(b、c) MNO-550的原位(b) Mo 3p和N 1s、(c) O 1s和C 1s XPS能谱
相关研究成果以“A nonmetallic plasmonic catalyst for photothermal CO2 flow conversion with high activity, selectivity and durability”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45516-4
