在"碳达峰、碳中和"国家战略目标指引下，亟待探索可再生能源多元化转化技术（Power to X，简称为PtX）。Sabatier反应，又称为CO₂甲烷化反应，能够将可再生能源产生的氢气与CO₂反应转化为可注入天然气管网的甲烷。这有望部分解决氢气储存、运输和大规模利用的难题。因此，Sabatier反应被认为是目前最有希望实现可持续能源经济的方法之一。传统Sabatier反应需要大约300-500℃的高温，这导致大规模生产甲烷需要额外消耗化石能源，而光驱动的Sabatier反应可以利用太阳能克服这一难题，将可能成为重要的"碳中和"技术之一。目前文献所报道的光驱动Sabatier反应大多是光致热催化，光仅用于提供热量，其活性与相同温度下的热催化基本一致。

近日，37000cm威尼斯固体微结构物理国家重点实验室、现代工学院、江苏省纳米技术重点实验室邹志刚院士团队李朝升教授课题组在Sabatier反应研究方面取得进展，利用光催化/光热催化耦合实现光驱动的高效Sabatier反应。该课题组设计了一种全太阳光谱吸收的微量钌负载的偏钒酸镍催化剂（0.35%Ru@Ni₂V₂O₇）。该催化剂在紫外光、可见光和近红外光区域均具有良好的吸收。在光照下，Ru团簇充当"纳米加热器"，提高局部温度活化H₂和解吸H₂O分子，溢出的H 原子与吸附在富含氧空位Ni₂V₂O₇表面的CO₂发生反应，实现CO₂甲烷化的协同催化作用。其次，在Ni₂V₂O₇载体表面负载Ru后，通过稳定COOH*中间体来降低CO₂活化能垒，同时调节CHO*形成能，有效地调控了反应路径，使得CO₂还原产物主要是CH₄而难以生成CO。此外，由于Ni₂V₂O₇本身是一种可见光响应的半导体光催化剂，当入射光子的能量大于Ni₂V₂O₇的带隙时，部分光生载流子诱导发生光催化CO₂甲烷化反应，而另一些光生载流子最终在Ru团簇上复合从而产生局部热效应，诱发和加速CO₂加氢的热催化反应。以上这些优势促使0.35%Ru@Ni₂V₂O₇催化剂表现出高效稳定的CO₂甲烷化活性，甲烷产出速率约为114.9 mmol g_cat^-1 h^-1（以Ru的质量为标准，为32.8 mol gRu^-1 h^-1）。该活性为目前光驱动下Ru基催化剂的最高值。同时，这一活性分别是该催化剂在相同温度下热催化活性（12.4 mmol g_cat^-1h^-1）的9.2倍，光催化活性（17.2 mmol g_cat^-1h^-1）的6.6倍，甚至是两者之和的3.9倍。该催化剂的CO₂转化率高达93.5%，CH₄选择性为99%，接近热催化CO₂甲烷化的热力学平衡极限。该成果为探索可再生能源多元化转化技术提供了新思路。

图1.（A）0.35%Ru@Ni₂V₂O₇样品的紫外-可见-红外吸收光谱和AM 1.5 G的光谱；（B）不同Ru负载量的Ni₂V₂O₇样品在300 W 氙灯（~2.0 W cm^-2）照射下的温度随时间的变化曲线；（C）室温黑暗下、λ< 800 nm照射下、300 w 氙灯照射下、350 ℃避光条件下，0.35ru@ ni₂V₂O₇样品的CH₄平均生成速率；（D）在300 W 氙灯加不同滤光片的照射下，0.35%Ru@Ni₂V₂O₇的CH₄生成速率随时间的变化曲线。 通过调节灯的输入电流，将不同滤光片的光强固定在~ 4.5个标准太阳；（E）0.35%Ru@Ni₂V₂O₇样品的20次循环稳定性测试。

该工作以"Cooperative catalysis coupling photo-/photothermal effect to drive Sabatier reaction with unprecedented conversion and selectivity"为题于2021年12月15日发表在重要学术期刊《Joule》上（Joule 5, 3235–3251, 2021）。37000cm威尼斯现代工学院2017级博士生陈勇为该项成果的第一作者，李朝升教授为通讯作者。天津大学叶金花教授、欧阳述昕教授为光热催化实验和论文修改提供了大力帮助。德国不莱梅大学在读博士生范国政（37000cm威尼斯现代工学院2018届硕士毕业生）在理论计算上提供了重要支持。37000cm威尼斯化学化工学院王喜章教授、河北大学李亚光教授和上海硅酸盐研究所易志国研究员在论文修改方面提供了建设性的意见。37000cm威尼斯现代工学院徐凝副研究员在红外热成像仪测试方面提供了帮助。该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划和江苏省自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00535-3