【成果掠影 & 研究背景】

光驅(qū)動二氧化碳加氫制甲醇是一種可持續(xù)的燃料生產(chǎn)途徑，有助于實現(xiàn)碳中和目標。然而，傳統(tǒng)光催化系統(tǒng)存在電荷分離效率低、光吸收有限和活性位點選擇性差等問題，導(dǎo)致甲醇產(chǎn)率和量子效率難以提升。模仿自然光合作用的空間分離策略有望解決這些挑戰(zhàn)，但人工材料中缺乏有序的質(zhì)量和電荷轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，限制了其實際應(yīng)用。

本研究受植物葉綠體啟發(fā)，開發(fā)了一種模擬葉綠素的綠色納米顏料——鎳鎵氧化物（NiGa?O?-x(OH)?），其具有逆尖晶石結(jié)構(gòu)和表面受阻路易斯對（SFLPs）。該材料通過光激發(fā)促進氫氣異裂為質(zhì)子和氫化物，并利用Ni(II)/Ni(III)與OH(-I)分別作為氫離子和質(zhì)子的傳輸通道，模擬自然光合作用中的NADPH功能和暗反應(yīng)過程。實驗結(jié)果表明，該催化劑在300°C和光照條件下，甲醇產(chǎn)率高達3.20 mmol·h?1·g?1，選擇性達79.6%，量子效率為3.0%，且穩(wěn)定性優(yōu)異，連續(xù)運行150小時性能無顯著衰減。這一成果為光催化CO?轉(zhuǎn)化提供了新的設(shè)計思路。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 設(shè)計了一種模擬葉綠素光學(xué)特性的納米顏料結(jié)構(gòu)，通過逆尖晶石框架實現(xiàn)寬帶光吸收，覆蓋紫外至紅光范圍。

• 構(gòu)建表面受阻路易斯對（SFLPs），通過Ga(III)/Ni(II,III)與O/OH的協(xié)同作用，實現(xiàn)氫氣的高效異裂分裂。

• 提出質(zhì)子-氫化物分離傳輸機制，Ni(II)/Ni(III)作為氫化物載體，OH(-I)作為質(zhì)子導(dǎo)體，模擬自然光合作用的電子傳遞鏈。

• 光熱協(xié)同催化策略：光激發(fā)不僅提供熱效應(yīng)，還通過d-d躍遷增強Ga-H鍵形成，加速反應(yīng)中間體轉(zhuǎn)化。

• 實現(xiàn)高達3.0%的量子效率，且光子至甲醇的選擇性超過90%，顯著優(yōu)于現(xiàn)有光催化系統(tǒng)。

• 結(jié)合原位光譜（XPS、DRIFTS、XAFS）和理論計算，揭示了CO?通過甲酸鹽路徑逐步加氫至甲醇的完整反應(yīng)機制。

Fig. 1: 納米顏料催化劑的設(shè)計方案與結(jié)構(gòu)表征

Fig. 2: CO?氫化催化性能測試與分析

Fig. 3: 活性位點的識別與表征

Fig. 4: 光對CO?氫化反應(yīng)的促進效應(yīng)研究

Fig. 5: 反應(yīng)機制的DFT理論研究

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究成功開發(fā)了一種葉綠素模擬的鎳鎵氧化物納米顏料，通過表面受阻路易斯對和質(zhì)子介導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移機制，實現(xiàn)了光驅(qū)動CO?高效加氫制甲醇。催化劑在寬光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出高活性和穩(wěn)定性，其量子效率與甲醇選擇性均達到國際領(lǐng)先水平。該工作不僅為人工光合作用系統(tǒng)提供了新范式，還通過多尺度原位表征與理論模擬深化了對光熱協(xié)同催化機制的理解，為溫室氣體資源化利用奠定了堅實基礎(chǔ)。未來可通過活性位點工程和光反應(yīng)器優(yōu)化進一步提升性能，推動太陽能煉廠的規(guī)?；瘧?yīng)用。

原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65560-y

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