華南理工大學(xué)葉代啟教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Catalysis》上發(fā)表了一篇有關(guān)光熱催化CO?逆水煤氣轉(zhuǎn)化（RWGS）反應(yīng)的重大成果的文章。該研究設(shè)計(jì)了一種基于聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)的光熱催化裝置，用于高效驅(qū)動(dòng)CO?逆水煤氣變換（RWGS）反應(yīng)，將CO?轉(zhuǎn)化為CO燃料。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型Ni−C−In（Ni/C−In?O?）催化劑，通過(guò)碳摻雜和鎳團(tuán)簇修飾，實(shí)現(xiàn)了在模擬太陽(yáng)光（1521.9 mW/cm²）和自然陽(yáng)光下的高活性與穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑在無(wú)外部加熱條件下（僅依靠光致熱），CO選擇性達(dá)100%，CO產(chǎn)率為20.96 mmol g?¹ h?¹，太陽(yáng)能-化學(xué)轉(zhuǎn)化效率達(dá)26%。結(jié)合準(zhǔn)原位XPS和DFT理論計(jì)算，揭示了碳與鎳團(tuán)簇間的不對(duì)稱相互作用可優(yōu)化催化劑電子結(jié)構(gòu)，降低關(guān)鍵反應(yīng)步驟的能壘，為光熱催化劑設(shè)計(jì)提供了新思路。
No.1 協(xié)同催化機(jī)制
Ni−C−In催化劑中碳摻雜形成的間隙碳與鎳團(tuán)簇產(chǎn)生不對(duì)稱相互作用，通過(guò)DFT計(jì)算證實(shí)該結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)光吸收能力，優(yōu)化H?解離和CO?活化過(guò)程，降低RWGS反應(yīng)中HCOO* 生成與脫氫步驟的能壘，接近熱力學(xué)平衡限制。
No.2 抗硫穩(wěn)定性與實(shí)際應(yīng)用潛力
催化劑在含SO?氣氛中仍保持高活性（CO產(chǎn)率下降僅15%），且在連續(xù)兩天的自然陽(yáng)光測(cè)試中表現(xiàn)穩(wěn)定，為規(guī)模化太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)提供了可行性驗(yàn)證。
No.3 高效聚光催化系統(tǒng)
設(shè)計(jì)了基于菲涅爾透鏡的聚光太陽(yáng)能裝置，將模擬太陽(yáng)光（44.6 mW/cm²）聚焦至1521.9 mW/cm²，實(shí)現(xiàn)催化劑表面局部高溫（352−417℃），顯著提升CO?轉(zhuǎn)化率（33.26%）和太陽(yáng)能利用效率（26%）。
圖 1. 不同條件下光熱 CO?轉(zhuǎn)化率對(duì)比：(a) 不同碳含量的 In?O?基催化劑；(b) 不同 Ni 負(fù)載量的 Ni 基催化劑；(c) Ni/C−In?O?催化劑在不同光強(qiáng)下的性能（插圖：紅外相機(jī)記錄的溫度分布圖）；(d) Ni/In?O?和 Ni/C−In?O?的熱催化 CO?轉(zhuǎn)化率曲線；(e) SO?對(duì)光熱催化 CO?轉(zhuǎn)化率的影響；(f) 催化劑性能對(duì)比；(g, h) Ni/C−In?O?在自然陽(yáng)光下連續(xù)兩天的光熱參數(shù)（CO?轉(zhuǎn)化率、溫度、光照強(qiáng)度）（插圖：自然陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)裝置照片）
圖 2. 催化劑的 SEM 和 TEM 表征：(a) In?O?；(b, d, e) Ni/In?O?；(c, f, g) Ni/C−In?O?；(h) Ni/C−In?O?的 HAADF-STEM 圖像及選定區(qū)域（A、B）的亮度強(qiáng)度分布；(k−o) Ni/C−In?O?的 TEM-EDX 元素映射。
圖 3. 催化劑的 XPS 和 XAFS 分析：(a) C 1s；(b) O 1s；(c) Ni 2p 的 XPS 譜圖；(d) Ni K 邊 XANES 光譜；(e) FT-XAFS 光譜；(f) Ni/In?O?和 Ni/C−In?O?的 FT-XAFS 擬合曲線；(g−i) Ni/C−In?O?、Ni/In?O?和 Ni 箔的小波變換（WT）。
圖 4. 準(zhǔn)原位 XPS 分析：(a) C 1s；(b) O 1s；(c) Ni 2p 在 Ni/C−In?O?上的譜圖；(d−f) Ni/C−In?O?和 Ni/In?O?在 H?還原和 CO?加氫反應(yīng)后的表面物種變化趨勢(shì)。
圖 5. DFT 計(jì)算結(jié)果：(a) Ni/In?O?和 Ni/C−In?O?的電荷密度差及 Bader 電荷分析；(b) Ni/C−In?O?的功函數(shù)；(c) H?解離能壘對(duì)比；(d, e) CO?加氫至 CO 的反應(yīng)路徑及能壘。
這類戶外的聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)，受制于天氣條件與地球自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的周期性變化，會(huì)導(dǎo)致催化劑表面光強(qiáng)分布呈現(xiàn)顯著波動(dòng)。因此在實(shí)驗(yàn)階段，擁有一款能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出超高光強(qiáng)、覆蓋寬光譜范圍的光源尤為關(guān)鍵。泊菲萊科技推出的PLS-SME400E H1氙燈光源正是滿足這一需求的理想選擇，為光熱催化研究提供強(qiáng)有力支持。
No.1 超強(qiáng)光強(qiáng)輸出
PLS-SME400E H1氙燈光源搭配了總光功率達(dá)100 W的燈泡，使其具備超強(qiáng)的光強(qiáng)輸出能力，能夠輕松達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的高光強(qiáng)水平。這種高光強(qiáng)輸出不僅有助于提升催化劑的活性，還能產(chǎn)生大量的熱能促進(jìn)整個(gè)反應(yīng)的進(jìn)程。因此，對(duì)于需要高強(qiáng)度光源支持的光熱催化實(shí)驗(yàn)而言，PLS-SME400E H1氙燈光源無(wú)疑是理想的選擇。
No.2 全面光譜覆蓋
PLS-SME400E H1氙燈光源提供了從320~780 nm拓展至320~2500 nm的全光譜輸出，覆蓋了光熱催化實(shí)驗(yàn)所需的所有光譜范圍，并且可以配合濾光片可以獲得：紫外光區(qū)，可見光區(qū)，近紅外光區(qū)及窄帶光。而由于該光源的超高光強(qiáng)使得在可見區(qū)和紫外區(qū)的光功率分別達(dá)到55 W和6 W。而這意味著，無(wú)論是需要特定波長(zhǎng)的激發(fā)光，還是需要對(duì)整個(gè)光譜范圍內(nèi)的光響應(yīng)進(jìn)行研究，PLS-SME400E H1氙燈光源都能輕松應(yīng)對(duì)，并為實(shí)驗(yàn)提供充足的光譜和光強(qiáng)輸出資源。
No.3 穩(wěn)定光源輸出
為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，PLS-SME400E H1氙燈光源采用了先進(jìn)的光學(xué)反饋技術(shù)。這一技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)光源輸出的穩(wěn)定性，并根據(jù)反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)光源參數(shù)，確保光源輸出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。而該款氙燈可以保證在8小時(shí)內(nèi)的周期不穩(wěn)定性低于±3%，這樣持續(xù)穩(wěn)定的高強(qiáng)度輸出有利于分析催化劑在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的活性、反應(yīng)速率以及產(chǎn)物的選擇性，更便于研究催化劑的催化機(jī)理。
No.4 智能操控體驗(yàn)
PLS-SME400E H1氙燈光源還集成了定時(shí)關(guān)機(jī)與電腦控制功能，為科研工作者帶來(lái)了前所未有的智能操控體驗(yàn)。通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置，就可以實(shí)現(xiàn)光源的自動(dòng)開關(guān)機(jī)，無(wú)需人工干預(yù)。同時(shí)，電腦控制功能的加入，使得科研人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)節(jié)光源參數(shù)，大大簡(jiǎn)化了操作流程，提升了實(shí)驗(yàn)效率。
寫在最后
光熱催化技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效利用的重要途徑，正逐步成為科研和工業(yè)界的熱點(diǎn)。而PLS-SME400E H1氙燈光源憑借超高光強(qiáng)輸出以及持久穩(wěn)定的特性，為光熱催化研究提供了強(qiáng)大的光源支持。未來(lái)，隨著科研的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信光熱催化技術(shù)將在能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，而泊菲萊也將成為推動(dòng)這一領(lǐng)域發(fā)展的重要力量。
文獻(xiàn)信息
S Mo, S Li, J Zhou, Asymmetric Interaction between Carbon and Ni-Cluster in Ni–C–In Photothermal Catalysts for Point-Concentrated Solar-Driven CO? Reverse Water–Gas Shift Reaction，ACS Catalysis，2025, 15, 4, 2796–2808.
